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风电机组变桨距系统半实物仿真试验平台
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风电机组变桨距系统半实物仿真试验平台

  摘要: 为了解决大型风力发电机组出厂前设计整机控制系统试验投入较大问题,针对大型风电 机组的变桨距系统半实物仿真平台进行试验研究,并给出了在工厂内进行变桨距控制系统性能测试的解决方案. 整个半实物仿真平台采用软件模拟各种工况和载荷情况,以运行控制系统( 包含变 桨距控制策略) 和电动变桨距执行机构为实物形式,通过信息的实时交互完成了控制性能与执行 机构的测试及载荷等模拟. 仿真结果表明,案例研究有效验证了半实物仿真试验平台的合理性,此 方法可以为机组设计和后续生产调试提供可靠的参考依据和验证手段.

  关键词:风电机组;变桨距系统;半实物;试验平台;载荷;实时交互

  当前,变速变距型机组成为大型风电机组的主流机型. 其控制系统采用转矩控制实现额定风速下的最大风能捕获,采用全翼展变桨距控制实.为确保设计成现额定风速上的恒功率输出功,在出厂之前会进行整机控制系统性能试验.国内各制造厂家为确保研发成功,投入大量资金进行整机试验平台的搭建,少则几百万,多则上千万,投资巨大. 随着仿真技术的不断进步,采用半实物仿真技术解决航空、军事、水下航行体等控制问题屡见不鲜,成为解决试验大投入的有效.在这种思路的引领下,提出变桨方法和手段距系统半实物仿真试验平台的设计方法和思路,鉴于变桨距控制在整机控制上的重要性,搭建此半实物仿真平台,对系统控制算法和性能预测具有重要意义.

  本文针对半实物仿真平台进行整体设计,包括运行控制系统、电动变桨距执行机构等硬件实 现,同时对半实物仿真的微机软件进行研究,以Bladed 风机模拟软件 作为半实物仿真软件的基础,并对变桨距控制策略进行实验研究. 以国产 风电机组 SUT-3000 样机为例,进行 18 m /s 湍流 风的正常发电情况模拟,仿真输出各种变量的变化情况、主要部件的载荷情况等,验证半实物仿真测试方案的可行性.

  1、半实物仿真平台整体设计

  电动变桨距风电机组半实物仿真平台是由物理( 真机) 和数字( 模型) 有机结合而成,其中运行控制系统、电动变桨距执行机构、传感系统都是真机,而其他如风轮、塔架、发电机等都用数字模型存于仿真微机软件中,结构原理图如图 1 所示.

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  图 1 电动变桨距风电机组半实物仿真平台整体设计

  整个仿真平台主要分成 4 个部分:

  1) 模型单元即仿真微机.

  主要功能为模拟机组 运行的各种工况,如风速、风向、尾流、塔影等,并设置人机交互界面进行机组启动、停机、急停的设置. 同时根据控制系统的运行反馈情况,计算机组的载荷、功率输出、转矩等信息. 这里采用 Bladed 风电机 组载荷评估软件作为仿真平台,自行编制用户界面.

  2) 运行控制系统.

  主要构成为塔顶、塔下控制 系统,中间以光纤形式连接. 功能为实施机组的各运行控制逻辑,如并网、拖网、故障检测、变速恒频控制、变速变距控制、载荷检测、偏航、温度循环控制等. 这里采用工业上常用的 Mita 和 Bachmann 控制系统架构.

  3) 电动变桨距执行机构.

  主要由驱动系统( PLC、驱动伺服电机、减速机) 、电池备份系统、保护系统等构成,主要功能为接收控制系统的给定, 包括速度、位置信号,进行变距位置和速度跟踪的 双闭环控制.

  4) 传感系统.

  主要包括变距系统的叶片位置传感、驱动电机速度、变距速度传感等. 整个半物理仿真试验台工作过程如下: 仿真微机内存有风力机仿真软件,具备仿真计算和显 示功能. 控制器执行变桨距控制等算法,输出控制 信息传送给变桨距执行机构,变桨距执行机构执 行完毕后,反馈控制系统实际的桨距速度变化和 位置,控制系统与机组模拟软件之间进行数据交 换,然后完成机组运行工况下的其他状态仿真.此半实物仿真平台可以实现各种工况下的变距控制算法的验证,控制系统通过传感器的反馈而形成闭环控制系统,验证变距控制算法和策略的有效性,使得此半实物仿真平台可以在早期为生产过程中的系统调试进行服务.

  2 硬件实现

  2.1 运行控制系统设计

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