风力发电机组在环仿真测试系统的开发与应用

蒲万春，宁琨，张广斌

（东方电气风电有限公司，四川 德阳， 618000）

风力发电机组在环仿真测试系统的开发与应用

蒲万春，宁琨，张广斌

（东方电气风电有限公司，四川 德阳， 618000）

利用HIL仿真，可在风力发电机组整个产品尚未成型阶段，对关键零部件进行测试和初步参数匹配，建立某些系统的准确数学模型，缩短设计、研发周期。文章通过对在环仿真测试系统的开发与应用的介绍，结合3 MW风力发电机组控制系统测试，展示了这种半实物实时在环仿真的测控技术。

HIL仿真，Matlab/Simulink，模型引擎架构，RUP

Abstract:When the wind turbine had not yet formed,the key components were tested and the preliminary parameters were mathed by HIL simulation,then accurate mathematical model for certain system was established to short the period of design and development.Based on the introduction of the development and application of the loop simulation test system,combined with the test of 3 MW wind turbine control system,this paper showed the measurement and control technology of this kind of semi-physical real-time simulation system.

Key words:HIL simulation， Matlab/Simulink， model engine architecture， RUP

0 引言

多年来，产品设计工程师们基于开发时间、成本和维护的考虑，使用半实物仿真设备来缩短开发周期。而在许多实际应用中，又不可能获得系统的准确模型，有时因为实际模型的复杂性，建立起来的模型也不准确，所以需要将实际系统模型放在仿真系统中进行研究。这样的仿真称为硬件在环回路仿真（HIL），又常称为半实物实时仿真或混合仿真。

在产品开发中采用了HIL测试系统，其主要目的有两个：一是用于整个产品关键部件的原型开发和性能测试，利用HIL仿真，可在整个产品尚未成型阶段，对关键零部件进行测试和初步参数匹配，如有的风机制造商可以将HIL仿真作为某一标准零部件的标准检测流程，如果该产品未通过该项测试，则不会进入产品的下一个阶段；二是在进行特定领域中的仿真分析时，建立某些系统的准确数学模型 （比如风机控制系统中的风速、液压、温度控制）比较困难，而将实际的物理系统嵌入到整个仿真系统中。

1 总体设计路线与功能描述

1.1 设计路线

正是由于硬件在环仿真技术的重要性，我们考虑采用NI公司开发的含有高速硬件I/O的实时PXI系统、基于配置的硬件仿真测试平台Nilab。Nilab可以兼容 Matlab/Simulink、ITI/SimulationX、Tesis DYNA等多种可以导出为DLL格式的模型。由于Nilab测试平台可以应用在NI的PXI实时系统中，同时使用反射内存方式布网，从而可以极大地提高测试的实时性和可靠性。同时Veristand具有测试流程控制、测试序列管理等功能，从而使得测试过程非常简易。软件上我们考虑利用实时仿真环境LabVIEW RT，构建了包括风机整机的硬件在环仿真系统。采用图形化软件LabVIEW建立了风机运行模型，并利用所搭建的试验台架进行了HIL仿真。

本系统由模型运行设备、高速硬件I/O设备、系统监控设备和风力发电机组监控设备四部分组成。其中模型运行设备、高速硬件I/O设备是该系统最核心部分。系统总体设计框图如图1所示：其中（1）为模型运行设备；（2）为高速硬件I/O设备；（3）为系统监控设备；（4）为风力发电机组监控设备；（RM）为通过内存反射；（5）为被测设备；（M1）为风力发电机组整机模型；（M2）为风力发电机组运行环境模型；（M3）为风机发电机组补充模型；（M4）为风力发电机组测控用例；（TC）为测控系统监控程序。

图1 风力发电机组在环仿真测控系统结构原理图

1.2 功能描述

风机在环仿真测试系统采用模块化设计，为设备的设计、调试、维护及升级提供了便利；在Windows系统下进行模型机、实时处理机及上位机的程序开发，使得用户可以方便地进行流程化测试。测试系统具备以下功能：

（1）能导入多个软件平台生成的风机部件仿真数学模型；

（2）能将风机部件仿真数学模型的输入输出与风机控制器硬件I/O的连接；

（3）能够进行风机仿真模型之间输入输出通道的映射；

（4）能够编写测试序列，从而按照一定的逻辑改变模型和控制器的输入输出参数，完成相关单个测试项的测试；

（5）能够安排测试流程，从而以一定顺序执行多个测试序列，完成自动测试；

（6）能够进行测试数据的实时显示、存储和离线分析；

（7）能够进行测试报告的配置和生成；

（8）能够监控数据采集端的数据和算法添加。

2 关键技术

本系统的四个组成部分中模型运行设备、高速硬件I/O设备是系统最核心部分，各部分关键技术具体实现如下。

模型运行设备编程实现部分风力发电机组的部分仿真参数，构建叶片、传动链、塔筒、发电机、变频器、外界环境等风力发电机组重要部件模型。

通过自定义通讯协议和接口，进行通讯协议编程，用内存反射方式建立模型运行设备和高速硬件I/O设备之间的实时通讯机制。

反射内存是一类特殊的共享内存系统，可启用多个单独的控制器来共享一组常用的数据。数据在每个控制器上接受本地存储，但数据可在反射内存网络上接受连续同步。反射内存节点为分布式实时系统提供了一类高速、确定的数据传输方式。它们采用光纤电缆实现通信，因此网络上的延迟非常低。

高速硬件I/O设备安装实时操作系统（RT OS），通过编程工具使用开发工具建立测控系统程序，建立风力发电机组控制系统控制原理模型、电气行为模型、风力发电机组传感器响应模型等补充风机模型，建立风电外部模型导入模块、建立测控用例部署模块、建立数据交互中心、建立端口映射模块等，以实现机械模型、电控模型、电气模型和真实设备的无缝连接。

高速硬件I/O设备使用实际信号线缆和通讯线缆连接被测设备，被测设备为真实风力发电机组设备，例如主控制系统、变桨控制系统、风速仪、风向标、振动模块等。

在系统监控设备上，通过编程工具建立测控用例编辑管理功能模块、建立数据记录功能模块、建立数据分析对比功能模块、建立实时数据显现功能模块、建立数据在线修改功能模块、建立风机软件控制功能模块、建立多用户在线查看模块等，以分担和完善高速硬件I/O设备功能，同时通过自定义协议编程，用以太网线与高速硬件I/O设备和风力发电机组监控设备进行通讯。

风力发电机组监控设备安装配置被测设备监控系统，可读取被测设备内部状态和数据并送给系统监控设备，系统监控设备也可以根据实际需要发送相应控制指令控制被测设备。

其中在线测控软件 （TS），可在仿真运行过程中实时更改风力发电机组整机及各个部件的模型参数，并可以实时修改风力发电机组控制系统测控用例（M5）和发力发电机组控制系统（M4）的所有通讯数据。从而方便模拟各种特殊的工作环境及运行条件。

其中风力发电机组测控用例，是根据自主设计的风力发电机组测控标准，在系统监控设备上编程实现，最后部署到高速硬件I/O设备上。

测试主机模块单元示意见图2。

图2 测试主机模块单元示意图

3 项目实施过程

在环仿真测试系统的设计与开发特点是智力密集，单件生产，整个过程采用RUP（Rational Unified Process,Rational统一过程）作为项目的实施规范，最大限度地提高软件的生产效率、降低硬件成本并减少风险，促进开发工作的标准化和一致性。

RUP是一种迭代开发模型，每个阶段可分解为多个迭代，一个迭代是一个完整的开发循环，产生一个可运行的版本，它以增量方式完成最终系统。RUP的开发过程如图3所示。

图3 RUP的迭代开发过程图

按照RUP的理论把整个项目开发过程分为：先启阶段、精化阶段、构建阶段、产品化阶段，每个阶段都定义了要实现的里程碑即关键任务点，以此确保整个项目的关键目标都能完成。

如图3所示，每个阶段都包括：业务建模、需求、分析设计、实施、测试、部署、配置与变更管理、项目管理、环境等9个核心工作流程，在不同的阶段里侧重不同的工作流，各种工作流在各阶段所占的比例不尽相同。根据项目实际情况对RUP规范进行定制简化以符合项目需要，合理地按照RUP规范组织测试系统开发过程，保证了项目的成功。

4 在环仿真测试系统的应用实例

本章以3 MW自主研发主控系统程序的在环仿真测试中的应用为例，阐述了如何借助本系统实现对风电机组主控系统进行系统性检验，加快风电的研发进度，进而降低研发和测试成本。

4.1 系统应用背景介绍

随着风力发电技术的发展，风力发电机组已经变得越来越复杂。但是，缺乏一个有效的手段对风力发电机组系统功能和机组组成部件从系统层和应用层进行全面测控和验证，大多数供应商提供的设备未经系统性验证就直接投运，存在着很大的风险，而且给现场调试及运行也带来很大困难。也有部分厂家通过半实物仿真的形式实现了风力发电机组某个部件的测控，但还没有一个完备的方案对整个风力发电机组进行测控。就公司存在的问题而言主要体现在如下四个方面：

（1）缺乏自主研发新机型、新方案系统性的对比验证手段；

（2）缺乏问题分析处理的系统性对比手段和数据支持；

（3）缺乏对控制系统设计要求的规范标准；

（4）缺乏风力发电机组主动优化设计手段。

随着公司3 MW风力发电机组主控系统自主研发工作的开展，如何保证3 MW风力发电机组整体设计和实施的高效性、可靠性、正确性和统一性，功能完备的风力发电机组的在环仿真测控系统的应用就显得十分必要。

4.2 自主研发3 MW风机主控系统的仿真测试

4.2.1 仿真测试系统+设备构成

仿真测试系统兼容通讯方式和硬接线方式，为实现对风机多种设备的实时硬件在环仿真提供应用平台，采用将bladed模型数据、Simulink模型数据与主控设备的实时数据结合的方式，为被测设备仿真最大程度的真实运行环境，通过被测设备的外部硬件和内部数据的表现及对数据的分析达到对设备控制和测试目的。方案重点保障了测试系统实时性、全面性、稳定性、真实性和便捷性。 “NI或 PC（blade+hardwareTest）+反射内存+NI+被测设备”的仿真测试系统如图4所示。

图4 3 MW仿真测试系统图

根据3 MW风机控制器的实际测试需求以及模型的现有情况，系统由被测设备 （主控制器）、模型运行设备、模型运行显示设备、数据交换设备、控制PC、SCADA PC组成。系统设备各部件构架示意图如图5所示。

图5 仿真测试系统设备部件构架图

4.2.2 3 MW主控系统仿真测试内容

基于该测试系统完成了对3 MW自主研发主控系统程序的仿真测试，内容包括：

（1）全流程测试：包括启动流程、升转速流程、空转流程、并网、发电、限负荷、低电压穿越流程等；

（2）全功能测试：包括安全链系统、变桨系统、变频器系统、发电机系统、齿轮箱系统、偏航系统、液压系统、主轴刹车、润滑系统；

（3）全故障三百多个各个等级的状态码逻辑测试；

（4）全3 MW程序代码检测；

（5）系统稳定性、安全性测试等。

4.2.3 技术创新点

（1）实现高精度在线实时仿真测试；

（2）一个平台，多个应用；

（3）结合载荷报告，实现全逻辑系统性测试；

（4）制定标准，实现自动测试；

（5）电控系统的行为建模；

（6）电控系统与Bladed风机模型的无缝连接;

（7）实现黑盒测试。

4.2.4 3 MW仿真测试的作用及成果

在环仿真测试系统首次在3 MW主控系统研发阶段实现了自主研发保护逻辑、控制逻辑、状态码、统计功能等全方位全逻辑综合测试，保证了3 MW风力发电机组主控制系统的安全性、稳定性和正确性。减少了设计开发、车间调试、风场调试的研发总体时间。降低了出现事故和不可预知故障的几率，保证了研发和调试各阶段工作的顺利进行。为进一步开发通用型的基于硬接线方式的测试平台打下了坚实的基础。并且基于在环仿真试验方法和成果取得了 《一种风力发电机组在环仿真测控系统及测试方法》国家发明专利。

5 结束语

具有自主知识产权的在环仿真测试系统开发与实际应用，便于公司掌握风机运行和控制的核心技术。有效地发现长久存在的隐性顽固问题，并为问题的进一步处理提供数据依据。新机型研发过程中的迭代测试，高效地发现并处理较多关键问题，同比缩短研发周期六个月以上。本项目有利于降本增效，在提高风机质量、加强管理和控制、提升市场竞争力等方面都具有显著的经济效益。

[1]王亚民.组态软件设计与开发[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.

[2]中国国家标准化管理委员会.数据流程图的详细规定:GB1526 1989[S].北京:中国标准化出版社,1990.

[3]D V Witcher.GH Bladed Usermanual(版本 3.67)[Z]2003.

Development and Application for Loop Simulation of Wind Turbine

Pu Wanchun， Ning Kun， Zhang Guangbin
（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK83

A

1674-9987（2017）03-0071-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.016

蒲万春 （1971-），男，本科，高级工程师，长期从事汽轮机控制系统、电站DCS控制系统开发和设计工作，现主要从事风电主控系统开发与设计工作。