應用Stateflow技術的風電機組主控系統仿真

韓貝貝，劉 斌，吳 文

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

應用Stateflow技術的風電機組主控系統仿真

韓貝貝，劉 斌，吳 文

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

為了簡化風電機組主控系統的仿真流程，通過對風電機組各運行狀態下控制策略的理論分析，結合Simulink/Stateflow技術的仿真原理，建立了風電機組主控系統的仿真模型。該模型可以根據輸入數據做出判斷，輸出相應的控制信號到Simulink中，實現了主控系統在不同狀態對象間運行狀態的轉換。仿真結果表明：該模型可以根據給定的輸入數據，輸出與風電機組控制策略相一致的控制信號，驗證了該仿真方法的有效性與合理性。

風力發電；主控系統；Stateflow仿真

0 引言

隨著世界經濟的高速發展，人們對傳統的煤炭、石油、天然氣等不可再生資源的消耗日益增加，隨之造成的環境問題也越來越嚴重。為了緩解世界能源匱乏、能源利用與環境保護之間的矛盾，世界各國都鼓勵開發新能源，如太陽能、風能、海洋能等，并相應地制定了一系列促進新能源發展和保護的政策。

風能是一種安全、無污染、可再生的自然能源，對生態無破壞，環保效益和生態效益良好，對人類社會可持續發展具有重要意義，是未來重要的清潔能源之一。它取之不盡、用之不竭，對于緩解能源匱乏問題具有非常重要的意義。近年來，隨著我國大力推廣利用新能源，特別是風能開發利用給予了高度重視，風力發電技術不斷成熟，風電機組單機容量正朝著大功率等級發展。目前，已出現單機容量為3 MW左右的風電機組，并得到廣泛使用[1]。

由于風力發電受所處環境影響較大，其輸出功率隨溫度、風速、季節等自然條件變化而變化，因此，如何充分利用風能以及保障風電機組與系統間的穩定運行是風力發電中需解決的重要問題。而風電機組主控系統是解決風力發電穩定運行的重要環節，也是風力發電系統的核心部件。風電機組主控系統常采用可編程控制器，但對于大規模、邏輯控制關系復雜的控制系統而言，該方法編程難度大，準確性不高，難以滿足控制系統的安全性要求。因此，本文將Stateflow模塊化應用到風電機組控制系統設計中，通過將狀態對象和事件的結合，來實現風電機組主控系統在不同狀態下的轉換。

1 風電機組控制系統結構及其控制策略介紹

1.1 系統結構

不同廠家生產的風電機組結構不同。但從實現功能的角度，風電機組控制系統包括：人機界面、主控系統、交流控制系統、變槳距控制系統、偏航控制系統等，如圖1所示。主控系統可以連接到每個子控制系統，并對其進行調節，相當于整個系統的“大腦”。通過人機界面可以監控系統關鍵設備的運行狀態，該狀態經過信息處理后，送至主控系統。當風電機組出現故障時，主控系統下發控制指令，送至底層，底層的各種控制系統接受操作指令，進而完成主控系統對風電機組的控制，最后將其狀態和數據反饋給人機交互界面。該控制過程經過光纖、以太網等通訊介質完成[2]。

圖1 風電機組控制系統結構圖Fig. 1 Structural diagram of wind turbine control system

1.2 控制策略

風電機組中的風力發電機組是將風能轉化為電能的設備，即利用風力帶動風機葉片旋轉，將風能轉換為輪轂上的機械能，再通過齒輪箱增速驅動發電機，將機械能轉化為電能，從而實現風力發電。

一般風力發電機的數學模型[3]為：

式中：Pω為風輪捕獲的風能；

ρ為空氣密度；

AR為風輪掃過的面積；

v為風速；

λ為葉尖速比；

β為葉片槳距角；

cp為風機轉換效率系數；

c1～c6為不同類型風力發電機的使用系數；

λi為過程變量。

由式（1）可知，當風速v保持在一定值時，風輪捕獲的風能Pω的大小取決于風機轉換效率系數cp。而cp是包含葉片槳距角β的非線性函數，故可以通過控制風力機葉片的槳距角β來實現輸出功率的恒定[4-5]。

根據風速和發電機轉速的不同，風力發電機組從待機到發電的過程經過若干區域。通常可將機組最佳運行狀態分為待機區、啟動區、轉速恒定區以及切除區[6]。由于各區域的作用不同，因此各區域的控制策略也不同。下面將分別介紹風電機組不同區域的最佳運行狀態，并對其控制策略予以說明。

1）待機區。此區域內，控制系統的監測部分和執行部分均正常工作，且保證所有監測信號和執行信號均處于正常狀態。

2）啟動區。當風速達到切入風速時，風電機組開始起動。此時，風電機組的主控系統策略是通過改變輪轂葉片的葉尖速比，使風電機組運行在最大的風機轉換效率系數cp處，以實現捕獲最大風能。

3）轉速恒定區。隨著風速的增大，機械轉矩也不斷增大，使發電機轉速達到最大值，并保持該狀態。當風速繼續增大時，機組的輸出功率因為發電機轉速的增大而增加。此時，為了風電機組的穩定運行，系統通過控制變槳距，實現輸出功率的恒定。

4）切出保護區。當風速繼續增大，超過切出風速時，從風電機組穩定安全運行的角度出發，主控系統將通過相應系統的調節，將風力發電機組切出電網，從而實現安全停機。

以上不同區域運行狀態的數學表達式如下：

式中：P為風電機組的輸出功率；

Pr為風電機組的額定功率；

vcut_in, vcut_off分別為切入風速與切出風速；

vr為額定風速。

2 Stateflow仿真設計與分析

2.1 Stateflow仿真設計

在風電機組主控系統的設計上，大部分廠家采用PLC編程。對于大規模、控制邏輯關系復雜的控制系統而言，PLC編程的工作量太大。因此，本文采用Matlab/Simulink中的Stateflow圖形化設計工具來構建風電機組主控系統。Stateflow是基于有限狀態機理論的仿真環境，可通過狀態流程和事件觸發來實現對事件系統的仿真[7]。

Stateflow的基本結構如圖2所示。Stateflow圖包括狀態對象（state）、轉移（transition）、事件（event）等[8-11]。系統的不同狀態對象在Stateflow中用圓角矩形表示。狀態對象的轉移是由事件來驅動。 Stateflow可自主判斷事件是否被觸發，從而實現狀態對象間的轉換。當狀態對象采集的數據達到事件觸發的要求時，事件被觸發，該狀態被激活，即實現狀態對象間的轉換（見圖2中的邏輯信號線）。整個狀態轉換的仿真過程可以直觀地通過Stateflow中的Chart模塊觀察。當仿真出現錯誤時，可以直觀地進行調試。

圖2 Stateflow的基本結構圖Fig. 2 Basic structure of Stateflow

本文將風力發電機組設置為待機（hold）、暫停（stop）、運行（working）、急停（parking）4種狀態對象。系統狀態對象間的轉換過程如下圖3所示。

圖3 風電機組主控系統的運行狀態圖Fig. 3 The operating state diagram of wind turbine master control system

圖3中，實現各狀態對象間轉換的事件因素為風速和發電機轉速。因此定義風速v事件的條件為：

式（3）～（6）中：切入風速vcut_in為5 m·s-1；額定風速vr為15 m·s-1；切出風速 vcut_off為20 m·s-1。

發電機轉速v′事件的條件為

當風速達到切出風速時，由于受到機械強度、設計等條件的約束，主控系統會自動切出風力發電機，故未設置發電機的切出轉速。

2.2 仿真分析

根據以上分析，構建如圖4所示的風電機組主控系統仿真模型。

圖4 風電機組主控系統仿真模型Fig. 4 The simulation model of wind turbine master control system

仿真模型的參數設置如下：

1）輸入信號。風速v的最大值為25 m·s-1，最小值為0 m·s-1；發電機轉速v′的最大值3 500 r·min-1，最小值為0 r·min-1。

2）輸出信號。模型的輸出信號為風電機組的狀態、風速與機組并聯情況、風速與機組運行情況、風電機組輸出功率情況。

3）仿真時間。仿真時間設置為10 s。

仿真輸出信號的波形如圖5～8所示。

圖5為風電機組的狀態圖。由圖可知，在2.6 s之前，風電機組默認處于待機狀態，輸出其運行狀態值0；在2.6 s時，風速大于切入風速，風速切入事件被觸發，但由于發電機轉速事件未觸發，故此時風電機組由待機狀態轉為暫停狀態，輸出其運行狀態值1；由于風速繼續增大，輪轂上的機械轉矩不斷增加，同時帶動發電機的轉速也逐漸增加，在3.6 s時，發電機的轉速達到其切入轉速，該事件被觸發，風電機組由暫停狀態轉為工作運行狀態，輸出其運行狀態值2；發電機轉速隨著風速的增大而增加，為了發電機組的安全運行，當風速切出事件被觸發時，系統自動切出，發電機組由工作運行狀態轉為急停狀態，在5.8 s時，輸出其運行狀態值3。

圖6為風速與機組并聯情況。由圖可知，當風速小于切入速度或者風速大于切出速度時，風電機組處于待機或急停狀態；只有當風電機組的風速介于風速的切入風速和切出風速之間時，風速與機組才可以并聯，通過風能帶動風機葉片轉動，使發電機轉速增加；當發電機轉速達到切入轉速后，風電機組開始輸出功率。

圖7為風電機組風速與機組運行情況。由圖可知，當風速小于切入風速時，風電機組處于待機狀態；當發電機轉速達到切入轉速且風速小于切出風速時，風電機組運轉，系統開始對外輸出功率；當風速大于切出風速時，在系統保護機制的作用下，風電機組進入急停狀態，但風電機組在進入急停狀態時，發電機不能立即實現停轉，所以在風速達到切出速度后，風電機組的風速與機組運行有部分時間的延遲。

圖8為風電機組發電狀況。由圖可知，只有當風速和發電機轉速均在適合區域時，風電機組才能發電輸出功率。

由圖5～8可以看出風電機組各運行狀態之間的關系。相對于人工編程為主的PLC控制系統，運用Stateflow圖形化工具來建模仿真更加直觀、簡便。

圖5 風電機組的狀態圖Fig. 5 The state diagram of wind turbine

圖6 風速與機組并聯情況（并聯：1）Fig.6 The parallel situation of wind speed and wind turbine（parallel：1）

圖7 風速與機組運行情況（運行：1）Fig. 7 The operating situation of wind speed and wind turbine（working：1）

圖8 風電機組發電狀況（發電：1）Fig. 8 The power generation of wind turbine（output：1）

3 結語

本文基于 Matlab/Simulink仿真平臺，運用Stateflow圖形化工具建立風電機組主控系統仿真模型。該模型包含4種簡單的狀態對象，將風速和發電機轉速作為狀態對象轉換事件。仿真結果表明風電機組主控系統可根據事件自主選擇運行方式。這說明Stateflow模塊能夠更簡便、快捷地對系統進行建模仿真。

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（責任編輯：鄧 彬）

Simulation of Master Control System of Wind Turbine Generator with Stateflow Technology

Han Beibei，Liu Bin，Wu Wen
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China )

In order to simplify the simulation process of wind turbine master control system, the simulation model of control system was established with Simulink/Stateflow technology based on the theoretical analysis of control strategy of the operating state of the wind turbine. The model can make a judgment according to the input data, output control signals into Simulink and achieve the master control system operating state transformation among the different states. Simulation shows that with given input data, the model output control signals consistent with those of wind turbine control strategy, and verifies the effectiveness and reasonableness of the simulation method.

wind power generation ；master control system ；Stateflow simulation

TM614

A

1673-9833(2015)03-0041-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.03.008

2015-03-06

韓貝貝（1989-），男，河南洛陽人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為電力網絡自動化技術及其應用，E-mail：1181292438@qq.com