基于PLC的硬件在环系统在风电机组仿真中的应用*

文 | 张雪松，纪国瑞，朱莲，王一婧

基于PLC的硬件在环系统在风电机组仿真中的应用*

文 | 张雪松，纪国瑞，朱莲，王一婧

风电机组主要功能是将风的动能转化成发电机转子的动能，转子的动能又转化成电能实现发电。随着全球对风电产业的大力投入，大功率风电机组发展越来越快，2MW、3MW已成现役主力机型，远景5MW、国电联合动力6MW、西门子7MW样机都已完成吊装或并网。随着风电机组的快速发展，其部件及控制系统越来越复杂，从而也增加了设计和调试上的难度。因此对于大功率风电机组仿真平台建设的需求越来越强烈。

硬件在环最初主要用于避免直接建立不确定系统的数学模型。对许多复杂的、时变的、强非线性的系统来说，建立其准确的数学模型几乎是不可能的，尤其是动态模型。因此提出一种将系统硬件嵌入到仿真系统中，用真实的可编程逻辑控制器代替模型，而其它部分则采用数学模型实现。这样能准确模拟风电机组控制系统及各部件的运行情况。

本文把硬件在环系统引入风电机组仿真，搭建联合动力2MW双馈风电机组硬件在环仿真平台（以下简称风电机组仿真平台）。

目标

风电机组仿真平台设计目标如下：

（一）构建以风电机组总体设计平台为核心的风电机组仿真系统，该系统贯穿风电机组参数选择、总体设计、详细设计整个过程，包括风电机组性能分析、载荷计算、结构强度分析模块。

（二）建立风电机组控制系统半物理仿真系统，在该系统中控制器及相关的通信为实物，而风电机组其他部件通过建立模型代替。

（三）建立风电机组运行仿真系统。该系统具有风能特性仿真和风电机组仿真的功能。

（四）实现仿真平台执行周期（10毫秒）与风电机组实际控制系统运行一致。

风电机组仿真平台

从功能角度看风电机组仿真平台分为两部分：一是硬件和用来满足模型计算的相关软件即仿真系统，它能够计算出风电机组对PLC所发出指令的响应；二是用来为PLC建立正确连接的数据通讯接口，将模型计算结果，如风速、桨距角、发电机转速及转矩等反馈给PLC。为了能反映风电机组真实运行情况，因此需要快速的数据交换接口。风电机组仿真平台主要由运行仿真系统的计算机和运行风电机组主控系统的PLC组成（如图1），以及扩展到变桨系统、变流器系统等。该平台将风电机组主控程序运行于Bachmann MPC240控制器，通过建立风电机组模型，开发数据接口实现风电机组模型和主控数据交互形成闭环控制，完成风电机组仿真。

仿真系统包括描述风电机组信息的虚拟风电机组模型、描述风速风向信息的风况模型、数据通信接口以及加载并运行以上模型的仿真主系统，其架构如图2。

一、虚拟风电机组模型

虚拟风电机组模型（如图3）通过使用FAST（Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence）搭建一个虚拟风电机组，该模型包含叶片、塔筒、齿箱、发电机、偏航及变流器等部件。FAST由美国可再生能源实验室（NREL）开发的一个复杂气弹仿真器，具备计算风电机组的极限载荷和疲劳载荷，同时具有与GH Bladed仿真模型数据接口。2005年FAST通过德国劳氏认证，适合为设计和认证陆上风电机组计算载荷。FAST使用与凯恩动力学组合模型方法建立运动方程，并使用自由度较少的模态的方法来描述风电机组动力学中最重要的部分，因此运行速度快。仿真系统还可能包括其它外围设备的模型，如变流器和变桨等模型以尽可能真实地反映风电机组系统。

本文介绍一下虚拟风电机组模型及参数，塔筒模型包括底部直径、顶部直径、轮毂高度、塔筒质量、有效的塔顶的扭转刚度及基础环等相关参数。叶片模型包括叶片数、叶片长度、叶尖速比、叶轮直径、攻角、升力系数、阻力系数等相关参数。传动链模型包括传动链，主要是由风轮转子、低速轴、齿轮箱、高速轴和发电机转子构成，发电机在此处我们单独建模。发电机模型包括电网频率、额定功率、并网转速、额定转速、额定转矩、机械损耗、电损耗等相关参数。变流器模型包括并网转速、并网开关、额定转速、额定转矩等相关参数。变桨模型包括叶片个数、变桨速率、桨距角、桨距角最大最小限位等相关参数。

二、风况模型

风是自然界的产物，人们目前还无法对其进行有效的控制，但风速变化和分布是有一定规律可循的，Weibull分布是通过常年的风速预测，取600s的风速平均值进行研究，用该平均值来估计预测风能资源。

风况模型为风电机组提供实时风速、风向数据。文中通过使用AeroDyn搭建起来的风能资源仿真接口，AeroDyn即空气动力载荷，由美国NREL提供的空气动力载荷算法，在航空、航天、风电机组领域有着广阔的应用。主要使用Wind模块设计风况，包括风速、风向、持续时间、空气密度等参数，然后通过AeroDyn接口与FAST进行数据交互。

三、数据通信接口

数据通信接口实现仿真系统和控制系统之间数据交互。一方面将虚拟风电机组模型和风况模型产生的运行数据从PC传输到PLC中运行的控制系统中；另一方面将控制系统控制参数从PLC传回到PC。该接口使用visual studio 2008和巴合曼控制器提供的M1com动态链接库开发，其满足数据高速准确交互的要求，能实现和主控系统同周期（10毫秒）数据交互。

四、仿真主系统

仿真主系统是风电机组仿真平台执行主流程。该系统使用visual studio 2008开发，主要完成模型和通信接口加载任务，实时读取模型运行数据并发送给控制系统以及接受控制系统参数并写入到运行的模型。其主要流程，首先，启动仿真主系统加载风况模型和风电机组模型；其次，通过风况模型生成风速和风向数据，并将数据输入给风电机组模型模拟风电机组运行；然后，仿真主程序将风况数据和风电机组运行数据通过数据通信模块发送给PLC中运行的主控系统；最后，主控系统将控制参数再传给风电机组模型，从而形成闭环控制（如图5）。如果我们要进行带部件的仿真时，可以将风电机组模型中变桨、变流器等软件模型屏蔽，而将变桨系统、变流器系统通过profbus或canopen等通信方式与主控系统相连。

仿真

一、功能

通过运行硬件在环仿真系统（图6），模拟风电机组运行，对风电机组控制系统进行测试。该平台主要实现以下功能：

1.风电机组正常工况仿真，按IEC61400－1设计正常风况，即风速界与切入和切出之间，检验风电机组在该风况下能否正常运行，并完成待机－启机－并网－停机等过程。

2.特殊工况和复杂风况仿真，如50年一遇大风或山地湍流风等实际测试中不易遇到的风况，验证此风况下风电机组运行及响应是否与控制系统设计一致。

3.主控算法与逻辑验证，验证转速转矩、风速功率等曲线是否吻合，转速与开收桨动作以及部件启停逻辑是否满足设计要求。

4.风电场故障复现，将风电场实际采集数据输入到风况模块，调整虚拟风电机组模型尽量与实际发生故障时一致。仿真风电机组在风电场中的运行，从而复现出风电机组的故障，为故障解决及控制优化提供方案。

5.部件的联调仿真，通过用变桨变流器等大部件或其控制板卡替代虚拟风电机组模型中的相关部件，实现仿真系统与真实部件联动测试，如测试变桨变流器能否跟随控制系统指令动作。

二、实验

以下针对国电联合动力2MW双馈风电机组，使用仿真测试平台仿真正常工况下风电机组的待机、启机、并网、停机完整过程。设计风况为：

1(10s)－4(110s)－6(140s)－8(20s)－4(60s)－6(60s)－8(60s)－10(60s)－12(60s)－14(60s)－16(60s)－18(60s)－20(60s)－22(60s)－24(60s)－26(60s)－28(60s)－30(60s)－32(60s)－34(60s)，其中1代表1m/s，表示风速，（10s）表示持续时间。

我们针对小风和大风分别完成启机、并网、停机等相关操作并录制风电机组运行相关参数。实验数据通过Matlab绘制图形如图7、图8所示。

结语

本文根据PLC的优势，结合HILS的软硬件要求，首先，提出把PLC引入到HILS中，实现风电机组实时仿真；其次，采用先进的数据通信接口实现毫秒级的仿真，真实模拟风电机组主控程序的实际运行；然后，设计特殊工况；最后，通过与大部件联调实现了风电机组全实物仿真。仿真结果验证了系统的有效性，同时该系统具有实时性好、易于扩展等优点。

（作者单位：国电联合动力技术有限公司）

* 国家高技术研究发展计划（863计划）基金项目（2012AA051303）