一种用于风电机组电控系统测试的硬件在环实验装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种用于风电机组电控系统测试的硬件在环实验装置,包括实时仿真机，与该实时仿真机通过以太网进行通讯的上位机、多轴伺服驱动的变桨电机负载模拟单元和包括主控系统和变桨系统的待测风电机组电控系统；实时仿真机与主控系统间通过以太网进行通讯，实时仿真机与变桨电机负载模拟单元之间及主控系统与变桨系统之间通过CAN总线进行通讯。本实用新型能够重复模拟风电机组各种常规和故障工况，对风电机组电控系统的软件、硬件、通讯以及主控系统和变桨系统之间的交互响应实现全面的、自动化的测试并且观测和记录风电机组电控系统的响应和控制品质，从而大幅缩减开发成本和现场调试的时间。
【专利说明】
一种用于风电机组电控系统测试的硬件在环实验装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种用于风电机组电控系统测试的硬件在环实验装置。
【背景技术】
[0002]电控系统是风电机组的重要组成部分，它承担着风电机组监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务。
[0003]主控系统是风电机组电控系统的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。主控系统与监控系统接口完成风电机组实时数据及统计数据的交换，与变桨系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。
[0004]变桨系统与主控系统配合，通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。变桨系统作为大型风电机组控制系统的核心部件之一，有效地保证风电机组在额定风速以上安全、稳定、高效地运行。因此变桨系统的稳定性和可靠性测试是非常重要的环节。
[0005]硬件在环仿真测试技术在汽车和航天航空领域有了很成熟的应用，但在风电领域的应用刚起步，而且目前主要应用于单个风电机组控制系统的开发和测试。比如，针对主控系统的硬件在环测试，整个变桨系统包括控制器和执行机构都作为仿真模型集成到风电机组模型中去;针对变桨系统的硬件在环测试，整个主控系统，甚至包括变桨控制部分都作为仿真模型集成到风电机组模型中去。实际风电机组的运行当中，主控系统和变桨系统的交互影响十分频繁，很多现场故障在实验室单个系统测试平台上并不能完全复现。此外，风电机组控制系统的测试更依赖于模型的精确程度，特别风电机组各部件复杂的空气动力学模型和结构动力学模型，以及针对变桨电机部分，对风机叶片桨距的精确计算和模拟、负载电机扭矩的快速和精确加载，这都对硬件在环实验装置提出了巨大挑战。
【实用新型内容】
[0006]由于现有存在的上述问题，本实用新型的目的是提出一种用于风电机组电控系统测试的硬件在环实验装置，该实验装置可有效测试风速激励下风电机组电控系统的响应特性，减低电控系统的调试和维护成本，大大缩短开发时间周期，提高测试效率;完成在实际中费用高昂或不能进行的测试试验，能够很方便地进行精确、无损和安全的极限测试和各种破坏性试验，进行更加全面、完整的测试；同时在实验室中再现实际风场中主控系统和变桨系统的交互响应、可重复再现现场故障，有助于故障诊断和故障排查，提供风电机组运行的稳定性。
[0007]为实现上述目的，本实用新型的一种用于风电机组电控系统测试的硬件在环实验装置，包括实时仿真机，与该实时仿真机通过以太网进行通讯的上位机、多轴伺服驱动的变桨电机负载模拟单元和包括主控系统和变桨系统的待测风电机组电控系统;所述实时仿真机与所述主控系统间通过以太网进行通讯，所述实时仿真机与所述变桨电机负载模拟单元之间及所述主控系统与所述变桨系统之间通过CAN总线进行通讯。
[0008]作为优选的技术方案:
[0009]本实用新型所述的硬件在环实验装置，所述变桨电机负载模拟单元包括伺服控制单元和伺服驱动器、负载电机和带电网回馈功能的进线整流模块。
[0010]本实用新型所述的硬件在环实验装置，所述变桨系统包括变桨控制器和变桨执行机构，所述变桨执行机构包括变桨电机、伺服驱动器、不间断电源和减速机构。
[0011]本实用新型所述的硬件在环实验装置，所述负载电机通过一联轴器连接至所述变桨电机;所述联轴器上设有一扭矩传感器，该扭矩传感器将测到的信号传输到所述实时仿真机。
[0012]本实用新型所述的硬件在环实验装置，所述主控系统包括塔基控制、机舱控制及各安全链模块。
[0013]本实用新型所述的硬件在环实验装置，所述实时仿真机内包含在Matlab/simulink环境下搭建的风电机组实时仿真模型，所述风电机组实时仿真模型包含风电机组结构动力模块、气动模块、机械和传动模块、变桨力矩模块、发电机和变流器模块以及电网模块。
[0014]由于采用以上技术方案，本实用新型的一种用于风电机组电控系统测试的硬件在环实验装置，主要优势有:
[0015](I)完成在实际中费用高昂或不能进行的测试试验，能够很方便地进行精确、无损和安全的极限测试和各种破坏性试验，进行更加全面、完整的测试；
[0016](2)可保存对控制系统在临界状态下响应的预估，且可重现环境条件，实现同一工况的反复测试；
[0017](3)可再现实际风场中主控系统和变桨系统的交互响应、可重复再现现场故障，有助于故障诊断和故障排查，提供风电机组运行的稳定性；
[0018](4)对控制策略进一步优化、确定各变量之间可能存在的影响及参数变化的敏感性，在开发早期确定系统设计缺陷或不足并进行协调；
[0019](5)极大降低了硬件和试验的费用，最大限度地节省研究时间和开发费用；
[°02°] (6)基于Matlab/simulink模块化设计，能够灵活的修改和扩展;采用基于Excel参数化建模方法，能够快速配置新的机组类型。
【附图说明】
[0021 ]下面根据附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明:
[0022]图1为本实用新型中用于风电机组电控系统测试的硬件在环实验装置的各部件的连接关系图
[0023]图2为本实用新型中用于风电机组电控系统测试的硬件在环实验装置的逻辑图
【具体实施方式】
[0024]如图1所示，本实用新型的一种用于风电机组电控系统测试的硬件在环实验装置，包括风电机组结构、气动、传动、发电机和电网模型实时仿真机I (工业PC)；测试系统启停操作、工况设定和状态监控上位机2;多轴伺服驱动的变桨电机负载模拟单元3;待测风电机组电控系统，包括主控系统4和变桨系统5;变桨系统5包括变桨控制器9和变桨执行机构，变桨执行机构包括变桨电机10、伺服驱动器11、不间断电源和减速机构；主控系统4包括塔基控制、机舱控制及各安全链模块;变桨电机负载模拟单元3，包括伺服控制单元和伺服驱动6、负载电机7和带电网回馈功能的进线整流模块8。负载模拟单元3的负载电机7通过联轴器12连接至被测变桨电机10。联轴器12上装有扭矩传感器13，其将测到的扭矩和转速信号传递到实时仿真机2。上位机2与实时仿真机I之间、实时仿真机I与主控系统4之间通过以太网进行通讯，实时仿真机I与变桨电机负载模拟单元3之间及主控系统4与变桨系统5之间通过CAN总线进行通讯。
[0025]实时仿真机内包含在Matlab/simulink环境下搭建的风电机组实时仿真模型，风电机组实时仿真模型包含风电机组结构动力模块14、气动模块13、机械和传动模块、变桨力矩模块16、发电机和变流器模块以及电网模块。
[0026]图2为本实用新型中的用于风电机组电控系统测试的硬件在环实验装置的逻辑图，给出了仿真机中风电机组仿真模型各个模块之间的传递参数和逻辑关系。风力机实际运行中，桨叶上受到的气动力总是在不断变化中，为了能更真实模拟风速扰动时桨叶载荷的变化，通过模拟真实叶片受到的气动力矩、重力矩和摩擦力矩准确计算变桨执行机构的负载力矩。气动模块13用来计算叶片的气动性能，并将将计算得到的叶片在不同位置的气动载荷传递给结构动力模块14;结构动力模块14考虑气动载荷的切变，以及重力载荷15，计算叶片的结构振动特性，一方面获得挥舞及摆振频率和振型，并传递给主控系统4与变桨控制器9，由主控系统4和变桨控制器9通过不同的策略计算出叶片的期望攻角和变桨速度，作为变桨指令下发给变桨电机伺服驱动器11;另一方面通过变桨力矩模块16计算变桨过程中产生的负载力矩，并传递给变桨电机负载模拟单元3，由负载电机7为变桨电机10提供一个叶片真实运行下的负载力矩。
[0027]但是，上述的【具体实施方式】只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。
【主权项】
1.一种用于风电机组电控系统测试的硬件在环实验装置，其特征在于:包括实时仿真机，与该实时仿真机通过以太网进行通讯的上位机、多轴伺服驱动的变桨电机负载模拟单元和包括主控系统和变桨系统的待测风电机组电控系统;所述实时仿真机与所述主控系统间通过以太网进行通讯，所述实时仿真机与所述变桨电机负载模拟单元之间及所述主控系统与所述变桨系统之间通过CAN总线进行通讯。2.根据权利要求1所述的硬件在环实验装置，其特征在于:所述变桨电机负载模拟单元包括伺服控制单元和伺服驱动器、负载电机和带电网回馈功能的进线整流模块。3.根据权利要求2所述的硬件在环实验装置，其特征在于:所述变桨系统包括变桨控制器和变桨执行机构，所述变桨执行机构包括变桨电机、伺服驱动器、不间断电源和减速机构。4.根据权利要求3所述的硬件在环实验装置，其特征在于:所述负载电机通过一联轴器连接至所述变桨电机;所述联轴器上设有一扭矩传感器，该扭矩传感器将测到的信号传输到所述实时仿真机。5.根据权利要求1所述的硬件在环实验装置，其特征在于:所述主控系统包括塔基控制、机舱控制及各安全链模块。6.根据权利要求1所述的硬件在环实验装置，其特征在于:所述实时仿真机内包含在Matlab/simulink环境下搭建的风电机组实时仿真模型，所述风电机组实时仿真模型包含风电机组结构动力模块、气动模块、机械和传动模块、变桨力矩模块、发电机和变流器模块以及电网模块。
【文档编号】G05B23/02GK205450761SQ201521131215
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月30日
【发明人】李玲莲, 鲍秀昌, 徐林, 孙同金, 蒋杏国
【申请人】上海卡鲁自动化科技有限公司, 盐城市产品质量监督检验所