兆瓦级风力发电机组控制系统仿真试验验证平台设计

王 营， 夏 青， 文 武， 赵 曦

（中机生产力促进中心， 北京 100044）

0 引言

风能的波动性和间歇性使风力发电机组控制系统的研发调试受到现场气候环境的制约； 风电机组控制柜安装于百米高的塔顶， 空间狭窄， 工作人员不便于现场调试；用户发电生产经营的需要，不能随时为新产品研制提供测试条件。综合上述三个原因，使得风电控制系统调试的难度大、成本高、周期长、不确定因素多，单纯依靠现场试验验证不可能满足控制系统开发的需要。

风电控制系统的仿真试验验证平台是风电控制系统研发过程中必不可少的一项技术手段。 针对风电控制系统具有实时性、多任务、多变量的特点，在产品研制过程中要进行全面、充分、详细的系统功能和性能测试，以确保控制系统满足风电机组的功能要求和性能指标。

本文设计开发了兆瓦级风力发电机组控制系统仿真试验验证平台，具有模块化设计、功能化分区、全系统交联的特点， 可以实现对风电控制系统所有控制策略和性能指标进行验证， 为研究开发新型风电机组控制系统提供了必要的手段。

1 仿真试验验证平台的特点和功能

模块化设计，能够根据风电机组部件（如发电机、齿轮箱、驱动单元等）的变化，灵活组装对应的测试系统，体现了该平台的高适应性、灵活性的特点。

功能化分区可以实现风场的仿真、并网的仿真。

仿真试验验证平台的各功能区可以互相共享试验数据，实现全系统的交联，达到风电机组的全功能试验测试。

仿真试验及测试环境分为四部分，分别为：半工况整机试验及测试系统、发电机及传动部分试验及测试系统、变桨及偏航部分试验及测试系统、并网试验及测试系统。这四部分试验及测试系统功能相互独立， 但又紧密地连接成一个整体， 形成一套完整的风力发电机组的物理仿真测试环境。 其功能流程图如图1 所示。

图1 仿真试验测试功能流程图Fig.1 Flow chart of simulation test function

2 仿真试验验证平台测试系统

2.1 半工况试验及验证平台

半工况试验及验证平台是一套缩小的发电机组，可通过拖动电机带动机组转动， 并借助计算机辅助软件模拟风力发电机组在一定条件下的运行状态， 从而检测生产的控制系统的产品品质， 同时可以为研发的新技术作初步试验。 系统如图2 所示。

半工况试验及验证平台需要的主要设备包括： 试验控制台、拖动电机、计算机仿真系统、变桨系统、偏航系统、发电机、齿轮箱、液压系统、刹车系统、塔架、基座、控制测量柜等，以及配套的高、低压开关柜等电气设备。

半工况试验平台控制系统的结构图如图3 所示。

图2 半工况试验及测试系统Fig.2 Half working condition test and test system

图3 半工况试验平台控制系统结构图Fig.3 Structure diagram of control system of half working condition test platform

2.2 发电机及传动部分试验及验证平台

该试验及验证平台主要模拟发电机机舱内设备的运转状态，测试该部分控制系统的详细地控制参数。其结构如图4 所示。

图4 发电机及传动部分试验及验证平台结构图Fig.4 Structure diagram of test and verification platform for generator and transmission

该平台设计成模块化结构， 通过更换不同部件可实现异步发电机、双馈异步发电机、直驱电机等各种不同形式发电机的模拟试验。

发电机及传动部分试验及验证平台需要的主要设备包括：试验控制台、拖动电机、发电机、齿轮箱、液压系统、刹车系统、数字仿真专家系统、PLC 控制系统、变频控制系统、基座及附件、控制测量柜以及配套的高压配电柜、低压开关柜等电气设备。

2.3 变桨及偏航部分试验及验证平台

变桨及偏航部分试验及验证平台分为两部分： 一部分是变桨及偏航系统的全物理仿真设备； 另一部分是一座环境模拟试验室，可以模拟风速及风向变化。

该试验平台可以检测风速及风向变化， 控制桨叶的变桨及机舱的偏航调节， 同时可以与发电机及传动部分试验及测试系统联动，将桨叶的转速、风速、风向、机舱位置等信号传递给发电机及传动部分试验系统， 同时还可接受其指令信号， 这样两个试验系统构成了一套完整的风力发电机全物理仿真系统。 系统原理如图5 所示。

图5 变浆及偏航部分试验及测试系统原理图Fig.5 Schematic diagram of test and test system for slurry change and yaw

变桨及偏航部分试验及验证平台需要的主要设备包括：试验控制台、环境监测传感器、高压风机、环境模拟试验间、控制测量柜、变频器控制系统以及配套的低压开关柜等电气设备。

2.4 并网试验及验证平台

并网是风力发电机组控制系统的重要组成部分之一，主要用于电网监测和并网、脱网控制，主要监测内容包括：并网方式、并网时机、功率补偿、电力特性参数检测、 电量计量等， 直接关系到电网安全及电力品质的保证，是高性能风力发电机组的基础。

风力发电机组在运行时，需要对电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率、发电机功率因数等电力参数进行持续监测。 无论风力发电机组处于并网状态还是离网状态，都有必要对上述功率参数进行监测，以判断和分析风力发电机组的起动条件、工作状态和故障情况，并对风力发电机组的有功功率、无功功率和总发电量进行统计和计算。 此外，还可以根据发电机有功功率和功率因数等电力参数来确定补偿电容的投入与切出。

并网试验及测试系统需要的主要设备包括：电源综合测试系统、电能测试分析软件、电参数测量分析软件。平台功能流程图如图6 所示。

图6 并网试验及验证平台功能流程图Fig.6 Functional flow chart of grid connection test and verification platform

3 结语

随着新技术的不断涌现，风力发电机组中的部件（如发电机、传感器、执行单元等）不断更新换代，因此必须有地面仿真平台对这些采用新技术的部件进行试验验证。本文所设计开发的风力发电控制系统仿真试验验证平台其功能兼顾了产品研发和产品测试两项功能， 该试验测试环境能够尽可能地模拟实际风电机组的运行状况，获取最真实的试验数据，同时减少投资成本，能够获取最大经济效益。