風力發電機組在環仿真測試系統的開發與應用

蒲萬春，寧琨，張廣斌

（東方電氣風電有限公司，四川 德陽， 618000）

風力發電機組在環仿真測試系統的開發與應用

蒲萬春，寧琨，張廣斌

（東方電氣風電有限公司，四川 德陽， 618000）

利用HIL仿真，可在風力發電機組整個產品尚未成型階段，對關鍵零部件進行測試和初步參數匹配，建立某些系統的準確數學模型，縮短設計、研發周期。文章通過對在環仿真測試系統的開發與應用的介紹，結合3 MW風力發電機組控制系統測試，展示了這種半實物實時在環仿真的測控技術。

HIL仿真，Matlab/Simulink，模型引擎架構，RUP

Abstract:When the wind turbine had not yet formed,the key components were tested and the preliminary parameters were mathed by HIL simulation,then accurate mathematical model for certain system was established to short the period of design and development.Based on the introduction of the development and application of the loop simulation test system,combined with the test of 3 MW wind turbine control system,this paper showed the measurement and control technology of this kind of semi-physical real-time simulation system.

Key words:HIL simulation， Matlab/Simulink， model engine architecture， RUP

0 引言

多年來，產品設計工程師們基于開發時間、成本和維護的考慮，使用半實物仿真設備來縮短開發周期。而在許多實際應用中，又不可能獲得系統的準確模型，有時因為實際模型的復雜性，建立起來的模型也不準確，所以需要將實際系統模型放在仿真系統中進行研究。這樣的仿真稱為硬件在環回路仿真（HIL），又常稱為半實物實時仿真或混合仿真。

在產品開發中采用了HIL測試系統，其主要目的有兩個：一是用于整個產品關鍵部件的原型開發和性能測試，利用HIL仿真，可在整個產品尚未成型階段，對關鍵零部件進行測試和初步參數匹配，如有的風機制造商可以將HIL仿真作為某一標準零部件的標準檢測流程，如果該產品未通過該項測試，則不會進入產品的下一個階段；二是在進行特定領域中的仿真分析時，建立某些系統的準確數學模型 （比如風機控制系統中的風速、液壓、溫度控制）比較困難，而將實際的物理系統嵌入到整個仿真系統中。

1 總體設計路線與功能描述

1.1 設計路線

正是由于硬件在環仿真技術的重要性，我們考慮采用NI公司開發的含有高速硬件I/O的實時PXI系統、基于配置的硬件仿真測試平臺Nilab。Nilab可以兼容 Matlab/Simulink、ITI/SimulationX、Tesis DYNA等多種可以導出為DLL格式的模型。由于Nilab測試平臺可以應用在NI的PXI實時系統中，同時使用反射內存方式布網，從而可以極大地提高測試的實時性和可靠性。同時Veristand具有測試流程控制、測試序列管理等功能，從而使得測試過程非常簡易。軟件上我們考慮利用實時仿真環境LabVIEW RT，構建了包括風機整機的硬件在環仿真系統。采用圖形化軟件LabVIEW建立了風機運行模型，并利用所搭建的試驗臺架進行了HIL仿真。

本系統由模型運行設備、高速硬件I/O設備、系統監控設備和風力發電機組監控設備四部分組成。其中模型運行設備、高速硬件I/O設備是該系統最核心部分。系統總體設計框圖如圖1所示：其中（1）為模型運行設備；（2）為高速硬件I/O設備；（3）為系統監控設備；（4）為風力發電機組監控設備；（RM）為通過內存反射；（5）為被測設備；（M1）為風力發電機組整機模型；（M2）為風力發電機組運行環境模型；（M3）為風機發電機組補充模型；（M4）為風力發電機組測控用例；（TC）為測控系統監控程序。

圖1 風力發電機組在環仿真測控系統結構原理圖

1.2 功能描述

風機在環仿真測試系統采用模塊化設計，為設備的設計、調試、維護及升級提供了便利；在Windows系統下進行模型機、實時處理機及上位機的程序開發，使得用戶可以方便地進行流程化測試。測試系統具備以下功能：

（1）能導入多個軟件平臺生成的風機部件仿真數學模型；

（2）能將風機部件仿真數學模型的輸入輸出與風機控制器硬件I/O的連接；

（3）能夠進行風機仿真模型之間輸入輸出通道的映射；

（4）能夠編寫測試序列，從而按照一定的邏輯改變模型和控制器的輸入輸出參數，完成相關單個測試項的測試；

（5）能夠安排測試流程，從而以一定順序執行多個測試序列，完成自動測試；

（6）能夠進行測試數據的實時顯示、存儲和離線分析；

（7）能夠進行測試報告的配置和生成；

（8）能夠監控數據采集端的數據和算法添加。

2 關鍵技術

本系統的四個組成部分中模型運行設備、高速硬件I/O設備是系統最核心部分，各部分關鍵技術具體實現如下。

模型運行設備編程實現部分風力發電機組的部分仿真參數，構建葉片、傳動鏈、塔筒、發電機、變頻器、外界環境等風力發電機組重要部件模型。

通過自定義通訊協議和接口，進行通訊協議編程，用內存反射方式建立模型運行設備和高速硬件I/O設備之間的實時通訊機制。

反射內存是一類特殊的共享內存系統，可啟用多個單獨的控制器來共享一組常用的數據。數據在每個控制器上接受本地存儲，但數據可在反射內存網絡上接受連續同步。反射內存節點為分布式實時系統提供了一類高速、確定的數據傳輸方式。它們采用光纖電纜實現通信，因此網絡上的延遲非常低。

高速硬件I/O設備安裝實時操作系統（RT OS），通過編程工具使用開發工具建立測控系統程序，建立風力發電機組控制系統控制原理模型、電氣行為模型、風力發電機組傳感器響應模型等補充風機模型，建立風電外部模型導入模塊、建立測控用例部署模塊、建立數據交互中心、建立端口映射模塊等，以實現機械模型、電控模型、電氣模型和真實設備的無縫連接。

高速硬件I/O設備使用實際信號線纜和通訊線纜連接被測設備，被測設備為真實風力發電機組設備，例如主控制系統、變槳控制系統、風速儀、風向標、振動模塊等。

在系統監控設備上，通過編程工具建立測控用例編輯管理功能模塊、建立數據記錄功能模塊、建立數據分析對比功能模塊、建立實時數據顯現功能模塊、建立數據在線修改功能模塊、建立風機軟件控制功能模塊、建立多用戶在線查看模塊等，以分擔和完善高速硬件I/O設備功能，同時通過自定義協議編程，用以太網線與高速硬件I/O設備和風力發電機組監控設備進行通訊。

風力發電機組監控設備安裝配置被測設備監控系統，可讀取被測設備內部狀態和數據并送給系統監控設備，系統監控設備也可以根據實際需要發送相應控制指令控制被測設備。

其中在線測控軟件 （TS），可在仿真運行過程中實時更改風力發電機組整機及各個部件的模型參數，并可以實時修改風力發電機組控制系統測控用例（M5）和發力發電機組控制系統（M4）的所有通訊數據。從而方便模擬各種特殊的工作環境及運行條件。

其中風力發電機組測控用例，是根據自主設計的風力發電機組測控標準，在系統監控設備上編程實現，最后部署到高速硬件I/O設備上。

測試主機模塊單元示意見圖2。

圖2 測試主機模塊單元示意圖

3 項目實施過程

在環仿真測試系統的設計與開發特點是智力密集，單件生產，整個過程采用RUP（Rational Unified Process,Rational統一過程）作為項目的實施規范，最大限度地提高軟件的生產效率、降低硬件成本并減少風險，促進開發工作的標準化和一致性。

RUP是一種迭代開發模型，每個階段可分解為多個迭代，一個迭代是一個完整的開發循環，產生一個可運行的版本，它以增量方式完成最終系統。RUP的開發過程如圖3所示。

圖3 RUP的迭代開發過程圖

按照RUP的理論把整個項目開發過程分為：先啟階段、精化階段、構建階段、產品化階段，每個階段都定義了要實現的里程碑即關鍵任務點，以此確保整個項目的關鍵目標都能完成。

如圖3所示，每個階段都包括：業務建模、需求、分析設計、實施、測試、部署、配置與變更管理、項目管理、環境等9個核心工作流程，在不同的階段里側重不同的工作流，各種工作流在各階段所占的比例不盡相同。根據項目實際情況對RUP規范進行定制簡化以符合項目需要，合理地按照RUP規范組織測試系統開發過程，保證了項目的成功。

4 在環仿真測試系統的應用實例

本章以3 MW自主研發主控系統程序的在環仿真測試中的應用為例，闡述了如何借助本系統實現對風電機組主控系統進行系統性檢驗，加快風電的研發進度，進而降低研發和測試成本。

4.1 系統應用背景介紹

隨著風力發電技術的發展，風力發電機組已經變得越來越復雜。但是，缺乏一個有效的手段對風力發電機組系統功能和機組組成部件從系統層和應用層進行全面測控和驗證，大多數供應商提供的設備未經系統性驗證就直接投運，存在著很大的風險，而且給現場調試及運行也帶來很大困難。也有部分廠家通過半實物仿真的形式實現了風力發電機組某個部件的測控，但還沒有一個完備的方案對整個風力發電機組進行測控。就公司存在的問題而言主要體現在如下四個方面：

（1）缺乏自主研發新機型、新方案系統性的對比驗證手段；

（2）缺乏問題分析處理的系統性對比手段和數據支持；

（3）缺乏對控制系統設計要求的規范標準；

（4）缺乏風力發電機組主動優化設計手段。

隨著公司3 MW風力發電機組主控系統自主研發工作的開展，如何保證3 MW風力發電機組整體設計和實施的高效性、可靠性、正確性和統一性，功能完備的風力發電機組的在環仿真測控系統的應用就顯得十分必要。

4.2 自主研發3 MW風機主控系統的仿真測試

4.2.1 仿真測試系統+設備構成

仿真測試系統兼容通訊方式和硬接線方式，為實現對風機多種設備的實時硬件在環仿真提供應用平臺，采用將bladed模型數據、Simulink模型數據與主控設備的實時數據結合的方式，為被測設備仿真最大程度的真實運行環境，通過被測設備的外部硬件和內部數據的表現及對數據的分析達到對設備控制和測試目的。方案重點保障了測試系統實時性、全面性、穩定性、真實性和便捷性。 “NI或 PC（blade+hardwareTest）+反射內存+NI+被測設備”的仿真測試系統如圖4所示。

圖4 3 MW仿真測試系統圖

根據3 MW風機控制器的實際測試需求以及模型的現有情況，系統由被測設備 （主控制器）、模型運行設備、模型運行顯示設備、數據交換設備、控制PC、SCADA PC組成。系統設備各部件構架示意圖如圖5所示。

圖5 仿真測試系統設備部件構架圖

4.2.2 3 MW主控系統仿真測試內容

基于該測試系統完成了對3 MW自主研發主控系統程序的仿真測試，內容包括：

（1）全流程測試：包括啟動流程、升轉速流程、空轉流程、并網、發電、限負荷、低電壓穿越流程等；

（2）全功能測試：包括安全鏈系統、變槳系統、變頻器系統、發電機系統、齒輪箱系統、偏航系統、液壓系統、主軸剎車、潤滑系統；

（3）全故障三百多個各個等級的狀態碼邏輯測試；

（4）全3 MW程序代碼檢測；

（5）系統穩定性、安全性測試等。

4.2.3 技術創新點

（1）實現高精度在線實時仿真測試；

（2）一個平臺，多個應用；

（3）結合載荷報告，實現全邏輯系統性測試；

（4）制定標準，實現自動測試；

（5）電控系統的行為建模；

（6）電控系統與Bladed風機模型的無縫連接;

（7）實現黑盒測試。

4.2.4 3 MW仿真測試的作用及成果

在環仿真測試系統首次在3 MW主控系統研發階段實現了自主研發保護邏輯、控制邏輯、狀態碼、統計功能等全方位全邏輯綜合測試，保證了3 MW風力發電機組主控制系統的安全性、穩定性和正確性。減少了設計開發、車間調試、風場調試的研發總體時間。降低了出現事故和不可預知故障的幾率，保證了研發和調試各階段工作的順利進行。為進一步開發通用型的基于硬接線方式的測試平臺打下了堅實的基礎。并且基于在環仿真試驗方法和成果取得了 《一種風力發電機組在環仿真測控系統及測試方法》國家發明專利。

5 結束語

具有自主知識產權的在環仿真測試系統開發與實際應用，便于公司掌握風機運行和控制的核心技術。有效地發現長久存在的隱性頑固問題，并為問題的進一步處理提供數據依據。新機型研發過程中的迭代測試，高效地發現并處理較多關鍵問題，同比縮短研發周期六個月以上。本項目有利于降本增效，在提高風機質量、加強管理和控制、提升市場競爭力等方面都具有顯著的經濟效益。

[1]王亞民.組態軟件設計與開發[M].西安:西安電子科技大學出版社,2003.

[2]中國國家標準化管理委員會.數據流程圖的詳細規定:GB1526 1989[S].北京:中國標準化出版社,1990.

[3]D V Witcher.GH Bladed Usermanual(版本 3.67)[Z]2003.

Development and Application for Loop Simulation of Wind Turbine

Pu Wanchun， Ning Kun， Zhang Guangbin
（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK83

A

1674-9987（2017）03-0071-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.016

蒲萬春 （1971-），男，本科，高級工程師，長期從事汽輪機控制系統、電站DCS控制系統開發和設計工作，現主要從事風電主控系統開發與設計工作。