兆瓦級風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)仿真試驗驗證平臺設計

王 營， 夏 青， 文 武， 趙 曦

（中機生產力促進中心， 北京 100044）

0 引言

風能的波動性和間歇性使風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的研發(fā)調試受到現(xiàn)場氣候環(huán)境的制約； 風電機組控制柜安裝于百米高的塔頂， 空間狹窄， 工作人員不便于現(xiàn)場調試；用戶發(fā)電生產經營的需要，不能隨時為新產品研制提供測試條件。綜合上述三個原因，使得風電控制系統(tǒng)調試的難度大、成本高、周期長、不確定因素多，單純依靠現(xiàn)場試驗驗證不可能滿足控制系統(tǒng)開發(fā)的需要。

風電控制系統(tǒng)的仿真試驗驗證平臺是風電控制系統(tǒng)研發(fā)過程中必不可少的一項技術手段。 針對風電控制系統(tǒng)具有實時性、多任務、多變量的特點，在產品研制過程中要進行全面、充分、詳細的系統(tǒng)功能和性能測試，以確保控制系統(tǒng)滿足風電機組的功能要求和性能指標。

本文設計開發(fā)了兆瓦級風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)仿真試驗驗證平臺，具有模塊化設計、功能化分區(qū)、全系統(tǒng)交聯(lián)的特點， 可以實現(xiàn)對風電控制系統(tǒng)所有控制策略和性能指標進行驗證， 為研究開發(fā)新型風電機組控制系統(tǒng)提供了必要的手段。

1 仿真試驗驗證平臺的特點和功能

模塊化設計，能夠根據風電機組部件（如發(fā)電機、齒輪箱、驅動單元等）的變化，靈活組裝對應的測試系統(tǒng)，體現(xiàn)了該平臺的高適應性、靈活性的特點。

功能化分區(qū)可以實現(xiàn)風場的仿真、并網的仿真。

仿真試驗驗證平臺的各功能區(qū)可以互相共享試驗數(shù)據，實現(xiàn)全系統(tǒng)的交聯(lián)，達到風電機組的全功能試驗測試。

仿真試驗及測試環(huán)境分為四部分，分別為：半工況整機試驗及測試系統(tǒng)、發(fā)電機及傳動部分試驗及測試系統(tǒng)、變槳及偏航部分試驗及測試系統(tǒng)、并網試驗及測試系統(tǒng)。這四部分試驗及測試系統(tǒng)功能相互獨立， 但又緊密地連接成一個整體， 形成一套完整的風力發(fā)電機組的物理仿真測試環(huán)境。 其功能流程圖如圖1 所示。

圖1 仿真試驗測試功能流程圖Fig.1 Flow chart of simulation test function

2 仿真試驗驗證平臺測試系統(tǒng)

2.1 半工況試驗及驗證平臺

半工況試驗及驗證平臺是一套縮小的發(fā)電機組，可通過拖動電機帶動機組轉動， 并借助計算機輔助軟件模擬風力發(fā)電機組在一定條件下的運行狀態(tài)， 從而檢測生產的控制系統(tǒng)的產品品質， 同時可以為研發(fā)的新技術作初步試驗。 系統(tǒng)如圖2 所示。

半工況試驗及驗證平臺需要的主要設備包括： 試驗控制臺、拖動電機、計算機仿真系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、發(fā)電機、齒輪箱、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、塔架、基座、控制測量柜等，以及配套的高、低壓開關柜等電氣設備。

半工況試驗平臺控制系統(tǒng)的結構圖如圖3 所示。

圖2 半工況試驗及測試系統(tǒng)Fig.2 Half working condition test and test system

圖3 半工況試驗平臺控制系統(tǒng)結構圖Fig.3 Structure diagram of control system of half working condition test platform

2.2 發(fā)電機及傳動部分試驗及驗證平臺

該試驗及驗證平臺主要模擬發(fā)電機機艙內設備的運轉狀態(tài)，測試該部分控制系統(tǒng)的詳細地控制參數(shù)。其結構如圖4 所示。

圖4 發(fā)電機及傳動部分試驗及驗證平臺結構圖Fig.4 Structure diagram of test and verification platform for generator and transmission

該平臺設計成模塊化結構， 通過更換不同部件可實現(xiàn)異步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機、直驅電機等各種不同形式發(fā)電機的模擬試驗。

發(fā)電機及傳動部分試驗及驗證平臺需要的主要設備包括：試驗控制臺、拖動電機、發(fā)電機、齒輪箱、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、數(shù)字仿真專家系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、基座及附件、控制測量柜以及配套的高壓配電柜、低壓開關柜等電氣設備。

2.3 變槳及偏航部分試驗及驗證平臺

變槳及偏航部分試驗及驗證平臺分為兩部分： 一部分是變槳及偏航系統(tǒng)的全物理仿真設備； 另一部分是一座環(huán)境模擬試驗室，可以模擬風速及風向變化。

該試驗平臺可以檢測風速及風向變化， 控制槳葉的變槳及機艙的偏航調節(jié)， 同時可以與發(fā)電機及傳動部分試驗及測試系統(tǒng)聯(lián)動，將槳葉的轉速、風速、風向、機艙位置等信號傳遞給發(fā)電機及傳動部分試驗系統(tǒng)， 同時還可接受其指令信號， 這樣兩個試驗系統(tǒng)構成了一套完整的風力發(fā)電機全物理仿真系統(tǒng)。 系統(tǒng)原理如圖5 所示。

圖5 變漿及偏航部分試驗及測試系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of test and test system for slurry change and yaw

變槳及偏航部分試驗及驗證平臺需要的主要設備包括：試驗控制臺、環(huán)境監(jiān)測傳感器、高壓風機、環(huán)境模擬試驗間、控制測量柜、變頻器控制系統(tǒng)以及配套的低壓開關柜等電氣設備。

2.4 并網試驗及驗證平臺

并網是風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，主要用于電網監(jiān)測和并網、脫網控制，主要監(jiān)測內容包括：并網方式、并網時機、功率補償、電力特性參數(shù)檢測、 電量計量等， 直接關系到電網安全及電力品質的保證，是高性能風力發(fā)電機組的基礎。

風力發(fā)電機組在運行時，需要對電網三相電壓、發(fā)電機輸出的三相電流、電網頻率、發(fā)電機功率因數(shù)等電力參數(shù)進行持續(xù)監(jiān)測。 無論風力發(fā)電機組處于并網狀態(tài)還是離網狀態(tài)，都有必要對上述功率參數(shù)進行監(jiān)測，以判斷和分析風力發(fā)電機組的起動條件、工作狀態(tài)和故障情況，并對風力發(fā)電機組的有功功率、無功功率和總發(fā)電量進行統(tǒng)計和計算。 此外，還可以根據發(fā)電機有功功率和功率因數(shù)等電力參數(shù)來確定補償電容的投入與切出。

并網試驗及測試系統(tǒng)需要的主要設備包括：電源綜合測試系統(tǒng)、電能測試分析軟件、電參數(shù)測量分析軟件。平臺功能流程圖如圖6 所示。

圖6 并網試驗及驗證平臺功能流程圖Fig.6 Functional flow chart of grid connection test and verification platform

3 結語

隨著新技術的不斷涌現(xiàn)，風力發(fā)電機組中的部件（如發(fā)電機、傳感器、執(zhí)行單元等）不斷更新?lián)Q代，因此必須有地面仿真平臺對這些采用新技術的部件進行試驗驗證。本文所設計開發(fā)的風力發(fā)電控制系統(tǒng)仿真試驗驗證平臺其功能兼顧了產品研發(fā)和產品測試兩項功能， 該試驗測試環(huán)境能夠盡可能地模擬實際風電機組的運行狀況，獲取最真實的試驗數(shù)據，同時減少投資成本，能夠獲取最大經濟效益。