基于建模的风电主控系统开发模式研究

曹金青（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

基于建模的风电主控系统开发模式研究

曹金青（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

基于建模的控制系统开发已成为一种潮流，它能够通过快速原型设计与自动代码生成来实现，下载代码到实际的PCC中实现硬件在环测试。在风电主控系统的开发中可以大大地降低开发过程中的风险并提高开发效率，从而为开发高性能和高品质的风电主控系统奠定一个坚实的基础，这种方式被越来越多的风机制造商所接受。

风电主控系统；开发模式；MATLAB/SIMULINK;PCC；自动代码生成

1 引言

风能作为重要和目前人类掌握最成熟的可再生能源技术，具有蕴藏量丰富、可再生、分布广、无污染等特性，使之成为可再生能源发展的重要方向。

作为能源消耗和风能资源储量大国，我国一直致力于风能领域的研究与探索。早在上世纪80年代末，风力发电的商业化模式就已经开始在国内运行，到目前为止，我们经历了早期从国外引进技术和设备到现在我们自己的技术和设备销往全球的转型。特别是从2006年《可再生能源法》颁布实施以来，我国风电装机容量迅速增长，产业链逐步形成。截止到2009年，我国风电年度新装机量连续4年增幅达100%，平均装机单机容量也在2011年超过了1500kW，呈现了高速发展的态势。截止到2012年底，我国风电累计装机容量为7532万kW，名列全球第一。

2 风力发电机的基本工作原理和分类

在人们早期使用风力机的时候，就利用到了风力机的基本功能，即利用风轮捕获空气流动的能量，并将获取的风能转换成机械能，然后通过风轮轴传输出去是风力机的基本功能。与此同时，我们也可以知道风力机的基本工作原理：利用风轮捕获气流所获得的阻力和升力，通过风轮把风能转换成机械能，再经过主轴连接齿轮箱获得合适的转速之后带动发电机发电。

目前为止，风力机主要分为水平轴与垂直轴两大类，但是从应用规模和技术成熟度上来说，水平轴风力机拥有绝对的优势。其中水平轴风力机以同步永磁直驱和双馈异步两种为主（见图1），本文的探讨主要围绕着水平轴风力机来进行。

图1 直驱和双馈发电机

3 风电主控系统概述

3.1 风电主控系统的主要功能

MW级风机主控系统从根本上来讲是基于计算机实时监控技术的本地控制、远程监控系统和数据传输系统的集合。它的主要任务就是控制风电机组的运行，依据其特性自动检测故障并根据实际情况采取相应的措施。

主要功能：

• 低于额定风速时，跟踪最佳功率曲线；

• 高于额定风速时，保持功率输出恒定；

• 记录运行数据，产生功率曲线等各种图表。

与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行过程的安全性与可靠性，而且还要根据风速和风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。

3.2 国内风电主控系统的现状

从2006年《可再生能源法》颁布实施开始，国内开始大规模的发展风电，为了追求进度、占领市场和先机，大部分国内的整机厂商都是从国外知名设计公司购买的技术，在起步阶段主控的核心技术都被国外的相关机构所把持。

为了加强我国风电行业的技术创造力，加快行业的产业升级，国家相关部门在后续的风电项目招标中特地规定了风机整机的国产化比例，从而大大的加快了我国风电技术从购买到消化再到创新的速度。

目前来讲，国内的众多整机厂商都在吸收国外购买技术的基础上开始研制自主的风电主控系统。

3.3 风电主控系统的研发背景和特点

对于风力发电的主控系统设计而言，意味着巨大的风险，因为风机基本都在偏远的地方，这些在野外工作的控制器要在非常恶劣的环境下执行控制任务，而且，由于风场远离城市，对主控系统的稳定性、可靠性要求特别高，否则相关的维护成本将极大增加，这就是风力发电需求中非常重要的一点。

为了保证所设计的控制系统有效可用，就需要在发电机组正式运行之前做大量的现场测试，一方面，现场测试就意味着巨大的投入；另一方面，业主也不会允许你将一套不成熟的控制系统拿到现场反反复复的测试。业主想要采购的是一套能直接投入使用的控制系统，而不是一个半成品，当你在开发新的控制系统的时候，以前的经验是可以借鉴的，但是最好是在被运到现场之前，控制系统已经经过了大量的仿真测试，被验证是可靠且可用的，只需要在现场进行相关的参数的调试之即可运行。而且，有时候需要做的测试是无法搭建现实条件的，例如风轮超速和一些需要进行风险极高的临界和超限的测试，这些巨大的风险如何科学地进行规避？

4 基于建模的风电控制系统设计

4.1 开发流程

4.1.1 V模型

V-model是一种软件生存期模型，在瀑布模型的基础上做了优化改进，使得在软件开发的生存期，开发活动和测试活动几乎同时开始，这两个并行的动态过程极大的降低了BUG和ERROR的出现几率。在V-model中，并行是核心，即开发和测试过程为同步进行V-model包含了三个等级，分别是生存期模型，分配模型，功能性工具需求模型，分别回答了“Whathastobedone?”-阐述了应当实施哪些活动，应该产生哪些结果；分配模型回答了“Howisitbedone”-决定了在实施活动的时候应该使用什么样的方法；功能性工具需求模型回答了“Whatisusedtodoit”，采用什么样的工具来实现这些活动。所有这些等级中又是由4个子模块组成，分别是项目管理模块(PM)，系统开发模块(SD)，品质保证模块(QA)，配置管理模块(CM)，这些模块的功能就显而易见了。

4.1.2 客户需求作为应用开发的中心

在实际使用中，将客户需求作为开发的中心，围绕着客户需求的实现进行项目的需求定义、设计规范、以及系统设计、实现设计、软件规范以及实现几个部分，而对应的有最终客户认同的测试规范、系统测试、功能测试、软件集成测试、软件模块测试，这两个部分是并行实施的。如图2所示。

图2 客户需求作为应用开发的中心

4.2 系统定义

根据系统设计要求，完成机组整个控制的设计需求分析、设计规范，如功率控制算法软件模块、变桨伺服控制算法、机组逻辑、控制对象参数等。这些建立在深刻的理解行业需求和深度的客户沟通基础上来实现，因此Customer是这个V形的关键环节。

综合预警结果中的状态预警结果，是对影响工作面突出危险性大小的各因素的集中表现，反映了采掘工作面当前状态下的突出危险程度，因此各工作面掘进过程中不同等级预警结果所占比例的不同，从整体上反映了各工作面突出危险性的大小。

4.3 SIMULINK的电力应用分析能力

SIMULINK里包含了柔性输电系统向量模型、风力涡轮的向量模型、电机的直接转矩控制和磁场定向控制模型等。SIMULINK为电力系统网络提供了三种解决方案，以及一种理想的切换算法，可通过高频切换提升系统的仿真性能。在SIMULINK中使用变步积分算法来执行高度精确的电力系统模型仿真。其中一些积分算法可处理在实际电力系统建模中常遇到的数值刚性系统。

SIMULINK提供的零点穿越检测功能，能以十分精确的机器精度检测并求解不连续过程。离散仿真采用固定步长梯形积分法来仿真系统，特别适合带电力电子设备的电力系统模型。该模式还有助于实现模型的实时执行。向量仿真则采用一组固定频率代数。

4.4 建模与仿真

风能利用是一个系统工程，涉及到了气象学、流体力学、固体力学、电力电子、机械工程、材料工程等多种学科和专业，许多部件都可以建立起相应的数学模型，同时控制系统设计是基于数学建模的，这是所有工程应用的目标和基础理论，在这个技术的应用中，MATLAB/SIMULINK成为了必要的工具，MATLAB正是提供了建模设计架构上的系统仿真和分析；SIMULINK的仿真将整个系统的各个物理组件都能够成为系统的仿真对象，并建立控制器模型，测试每个输入及其反馈来获得系统影响因素的最佳控制器参数。

贝加莱公司从2008年开始就与Mathworks建立了深度的合作关系，在贝加莱职能开发平台AutomationStudio中集成了MATLAB/SIMULINK的接口（如图3所示），提供针对机械设备的模型构建、仿真分析与代码的自动生成设计，这将大大减少工程设计人员的编程调试时间，节约现场调试费用。

图3 集成MATLAB/SIMULINK的AutomationStudio

通过SIMULINK建立模型就如同装配物理系统的本身一样，模型中各个组件就像实际的物理线路连接一样方便，这些物理连接代表理想的传导路径，通过这个方法，可描述系统的物理结构，而无需推导和实现用于系统的方程。模型与原理图非常相似，从模型中，SIMULINK可自动构造描述系统运行的微分代数方程，这些方程可与其它方程集成在一起。例如你可以定义线性和饱和变压器、避雷器和断路器以及输电线路的模型，励磁、液压和风力涡轮机组，以及电力电子单元的GTO、IGBT模型，对于控制和测量单元的电压、电流、阻抗测量，RMS测量，有功和无功功率的计算，以及abc-todq0及dq0到abc的转换，三相单元的RPL负载、同步或异步发电机，电动机分析和测量工具均可以被组件形式建立模型，并通过SIMULINK来连接(如图4所示)。

图4 利用SIMULINK可以为风力发电机组建立控制系统模型

4.5 自动源代码生成

在MATLABSIMULINK中成功的起风力发电机组控制系统模型之后，可以一键自动的生成源代码，下面就以风电主控中用到的温度控制为例做详细说明。

首先要建立起被控对象的数学模型，一般为一阶：

G(s)=Ke-ts/(Ts+1)

在此基础上，以PI系统为例，SIMULINK的仿真模型如图5所示。

图5 PI系统的仿真模型

该模型在SIMULINK中的仿真结果如图6所示。KP=4;KI=0.1

图6 仿真结果

要想在AS中实现自动生成代码的功能，首先要将SIMULINK模型分为控制和模型两部分，并使用B&R工具箱中的组件替换输入输出和中间变量（名字需和AS项目中对应任务名一致）。

• 控制部分temp_ctrl（如图7所示）。

图7 控制部分Temp_ctrl

• 模型部分temp_plant（如图8所示）。

图8 模型部分Temp_plant

双击Config模块设置为代码生成模式，如图9所示。

图9 设置代码生成模式

在设置好代码生成模式之后需要再配置生成参数，如图10所示。

图10 配置生成参数

与此同时还需要设置循环周期和生成路径，完成以上步骤之后再添加相应的AS必须库，就可以一键生成C代码了，并且在AS中以任务的形势出现，如图11、图12所示。

在一键生成在AS中的代码之后，会发现所生成的代码的循环周期和在SIMULINK中配置的循环周期是一致的，如图13所示。

图11 添加AS必须库

图12 自动生成源代码

图13 AS中生成的代码

在经过从模型到一键生成AS中的代码之后，可以直接下载到贝加莱公司的PCC中进行在环测试并进行轨迹跟踪，如图14所示。

图14 轨迹跟踪

5 效果反馈

5.1 能够仿真难于实现测试的应用

对于风电的很多测试而言，现实直接测试的成本非常高昂的。例如在风力发电的模型设计中，一些极端的风力条件是无法在现实中随时获取的，而且，为了避免机器系统需要昂贵的测试成本和部分测试条件的不确定性，从而采用仿真技术，可以在接近最佳模型时进行针对性的测试，而这个过程将会大大缩短测试所需的时间，提高开发的效率，使得所开发的风电主控系统更加的高效，如图15所示，在风速是10m/s，还没有达到风机额定风速的情况下，所发的电要比以往高出10%左右。

Study on Development Mode of Wind Power Master Control System Based on Modeling

TThe development of modeling based system becomes a trend. It can be implemented via quick prototype design, automatic code generatingand downloading the code into the practical PCC to realize hardware-in-the-loop test. The risk of development process can be immensely reduced in thedevelopment of the wind power master control system and promoting the efficiency of development. Thereby, it will be able to establish a solid foundation for developing the wind power master control system of highperformance and quality. And it ismore and more accepted by wind turbine manufactories.

Wind powerMaster control system; Develop mode; MATLAB/ SIMULINK; PCC; Automatic code generating

B

1003-0492(2014)01-0092-04

TP273