GH Bladed軟件在控制系統軟件測試中的應用研究

史曉鳴，朱長江

(浙江運達風電股份有限公司 風力發電系統國家重點實驗室，浙江 杭州 310012)

0 引言

風能作為一種可再生綠色能源受到世界關注與重視。近年來，我國的風電產業得到迅速發展的同時，也逐漸暴露出一些機組質量問題，如大部件損壞與風電機組倒塌等。風電機組質量越來越受到業主方與整機廠家的高度重視[1-2]。控制系統作為風電機組的核心部件之一，是整個風電機組的大腦，其質量直接影響整個風電機組的質量。為了提高風電機組控制系統質量，減少批量控制系統軟件問題，目前，大多數整機廠家采用風電場現場軟件測試、廠內試驗臺拖動測試以及半物理仿真測試[3-6]，但這些測試方法所需時間長，測試環境要求高，難以滿足快速大規模生產的需要。

GH Bladed軟件是英國Garrad Hassan and Partners Limited公司開發的用于風電機組設計的專業軟件，主要應用于風電機組穩定分析、模態分析、時域動態仿真、控制系統開發、整機載荷計算和載荷后處理等，關于其在控制系統軟件測試中的應用報道甚少。針對傳統測試方法的局限性，本文提出了利用GH Bladed軟件進行控制系統軟件測試的新方法。

1 GH Bladed測試應用技術

GH Bladed軟件工具菜單如圖1所示。工具菜單從左到右分別為槳葉的整體特性設置、槳葉翼型設置、輪轂與葉輪系統基本參數設置、塔架參數設置、傳動鏈參數設置、機艙設置、風電機組控制系統設置、模態分析、風模型設置等。

在控制系統軟件測試過程中，除了使用風電機組Bladed模型提供氣動數據之外，還需要在GH Bladed軟件中設置如下軟件測試工況與測試接口。

1.1 風模塊

風模塊設置窗口如圖2所示。通過菜單可以設置控制系統軟件測試所需的風況，如不同風速大小的穩態風、湍流風以及瞬時風等。

圖1 GH Bladed工具菜單

圖2 風模塊設置窗口

在軟件測試過程中，穩態風主要用于穩態下軟件功能測試，如大風啟機過程與小風啟機過程等；湍流風與瞬時風主要用于暫態下的功能測試，如變槳系統響應測試、轉矩響應測試以及算法仿真測試等。

1.2 風電機組控制系統模塊

風電機組控制系統設置窗口如圖3所示。GH Bladed軟件提供了4種發電控制方式：定速定槳控制、變速定槳控制、定速變槳控制和變速變槳控制。在軟件測試中，需要根據風電機組類型選擇對應的控制方式。針對變速變槳控制方式的風電機組，需要設置在額定風速下的轉矩控制方法，即最優模態增益以及最速區間等；在額定風速上的變槳控制時，需設置最優槳距角、最大槳距角、額定轉矩和額定轉速等。

圖3 風電機組控制系統設置窗口

1.3 測試接口

在GH Bladed軟件計算單元中，提供了Hardware Test測試接口，如圖4所示。

圖4 GH Bladed測試接口

在測試過程中，需要設置軟件實時仿真步長、Hardware Test工程名稱以及該工程對應的測試程序等。該接口是風電機組Bladed模型與Hardware Test功能交互數據的基礎。

2 GH Bladed與控制器讀寫機制

GH Bladed軟件除了提供風電機組模型設計軟件之外，還提供了GH Bladed Hardware Test軟件，利用該軟件可以建立測試工程、編寫測試程序與測試腳本以及配置控制器測試接口等；通過該軟件可實現風電機組模型與控制系統軟件之間的數據交互。

2.1 風電機組模型數據讀寫機制

在軟件測試過程中，GH Bladed Hardware Test除了需要讀取GH Bladed 風電機組模型氣動數據、當前轉矩和當前槳距角等數據并傳給被測控制系統之外，還需要把控制系統輸出的電磁轉矩、槳距角給定值寫入到風電機組模型，并控制該模型的運行。為了實現上述功能，需要配置Bladed仿真所使用的Bladed通道、風電機組模型的路徑以及風電機組模型與控制器數據的同步關系，如圖5所示。

在Bladed通道配置中，由于需要讀取Bladed通道數據，其Bladed通道屬性需要配置成ReadContinuously；由于需要寫入并控制風電機組模型的Bladed通道數據，其Bladed通道屬性需要配置成WriteContinuously。在Bladed風機模型配置中，需要設置Bladed風機模型路徑以及與GH Bladed Hardware Test通訊協議。在Bladed風機模型與控制器同步配置時，需要將Windey Controller配置成Slaves。

2.2 控制器數據讀寫機制

為了實現GH Bladed Hardware Test讀寫控制系統相關數據，首先需要按照預設的協議在控制器內部通道生成對應的GH Bladed Hardware Test配置文件，然后利用該軟件將測試配置文件導入其中，自動生成對應的Windey Controller和Windey State Enums，前者為控制軟件對應的通道，后者為控制軟件狀態的名稱。如風電機組模型數據讀寫機制一樣，同樣需要設置控制器通道的屬性以及與Bladed風機模型的同步關系，如圖6所示。

圖5 Bladed仿真模塊設置

圖6 控制器仿真模塊設置

在控制器與Bladed風機模型同步配置中，需要將Bladed simulation配置成Master。

3 仿真測試

以運達WD1500變速變槳型風電機組控制系統軟件為測試對象，采用上述測試方法，分別對啟機過程與緊急停機過程進行測試，測試結果分別如圖7和圖8所示。

從啟機過程測試結果看，在槳距角一次調整過程中，機組槳距角從90°逐漸開槳到15°，機組轉速逐漸上升，在48 s左右，機組轉速到達515 r/min，滿足機組二次開槳要求。在機組二次調整過程中，機組轉速目標值為機組并網轉速，機組槳距角最小值為機組最優槳距角，在變槳PI控制器控制作用下，機組槳距角從15°逐漸向最優槳距角開槳，直到機組轉速控制在1 100 r/min并網轉速附近，然后控制系統下發并網指令，直到機組并網成功。該測試結果符合機組啟機策略與停機過程。

從緊急停機過程測試結果看，50 s時刻機組觸發緊急停機故障，機組立即脫網，測量得到的發電機轉矩立即變為0 Nm，機組功率瞬間下降為0 kW，在變槳開環控制器以及緊急順槳命令的作用下，機組槳距角快速順槳到順槳位置90°，機組轉速快速下降到0 r/min。該測試結果符合機組緊急停機控制策略與停機過程。

圖7啟機過程測試結果圖8緊急停機過程測試結果

4 結束語

提出了利用GH Bladed軟件進行控制系統軟件測試新方法，克服了傳統測試方法的局限性。介紹了GH Bladed 軟件在控制軟件測試中的相關技術，研究并設計了GH Bladed 軟件與被測控制系統的交互機制。利用該方法測試控制系統軟件的啟機過程與緊急停機過程。結果表明，該測試方法可以驗證機組軟件功能，提高了控制系統軟件出廠質量。