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一种风电机组控制器在线实时仿真测试系统.pdf

  • 上传人:t****
  • 文档编号:5570861
  • 上传时间:2019-02-16
  • 格式:PDF
  • 页数:14
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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201410222148.X

    申请日:

    2014.05.23

    公开号:

    CN103970128A

    公开日:

    2014.08.06

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情:

    授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G05B 23/02申请日:20140523|||公开

    IPC分类号:

    G05B23/02

    主分类号:

    G05B23/02

    申请人:

    国家电网公司; 中国电力科学研究院; 中电普瑞张北风电研究检测有限公司

    发明人:

    秦世耀; 王瑞明; 李少林; 孙勇; 陈晨; 张金平

    地址:

    100031 北京市西城区西长安街86号

    优先权:

    专利代理机构:

    北京安博达知识产权代理有限公司 11271

    代理人:

    徐国文

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    内容摘要

    本发明提供一种风电机组控制器在线实时仿真测试系统,包括风电机组控制器、实时仿真交互系统和风电机组系统仿真模型;风电机组控制器下发动作指令给实时仿真交互系统,实时仿真交互系统将接收的动作指令进行转换,并将转换后的动作指令传输给风电机组系统仿真模型,风电机组系统仿真模型执行实时仿真交互系统传输的动作指令,提供风电机组控制器所需的反馈信号,并将反馈信号通过实时仿真交互系统反馈给风电机组控制器。本发明兼容通讯方式和硬接线方式,为实现风电机组多种实时硬件在线仿真提供应用平台。利用该仿真测试系统可以在实验室环境下实现风电机组运行与保护特性的测试与评估,有利于新型控制算法与性能提升方案的快速试验验证。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种风电机组控制器在线实时仿真测试系统,其特征在于:所述系统包括风电机组控制器、实时仿真交互系统和风电机组系统仿真模型;所述风电机组控制器下发动作指令给所述实时仿真交互系统,所述实时仿真交互系统将接收的动作指令进行转换,并将转换后的动作指令传输给所述风电机组系统仿真模型,所述风电机组系统仿真模型执行实时仿真交互系统传输的动作指令,提供风电机组控制器所需的反馈信号,并将反馈信号通过所述实时仿真交互系统反馈给所述风电机组控制器。

    2.  根据权利要求1所述的风电机组控制器在线实时仿真测试系统,其特征在于:所述风电机组控制器包括风电机组主控系统、变流器控制系统和风电机组变桨系统。

    3.  根据权利要求2所述的风电机组控制器在线实时仿真测试系统,其特征在于:所述风电机组主控系统包括主控系统控制器及第一外围接口与供电电路;
    所述主控系统控制器为所述风电机组主控系统的核心,主要采用PLC控制器或微处理器,对风电机组主控程序的执行和风电机组运行及保护的全过程进行控制;
    所述第一外围接口与供电电路主要包括硬接线I/O、Modbus串口通信、Canopen通信、RS485串口通信、Modbus TCP通信接口以及交流110V、交流220V、直流24V和直流5V供电电路。

    4.  根据权利要求2所述的风电机组控制器在线实时仿真测试系统,其特征在于:所述变流器控制系统包括变流器的控制器及第二外围接口与供电电路;
    所述变流器的控制器是变流器控制系统的核心,其采用DSP处理器、FPGA处理器或DSP处理器和FPGA处理器结合的形式,负责变流器核心算法的执行和变流器PWM调制信号的发生与保护;
    所述第二外围接口与供电电路主要包括硬接线I/O、Modbus串口通信、RS485串口通信接口以及交流220V、直流24V和直流5V供电电路。

    5.  根据权利要求2所述的风电机组控制器在线实时仿真测试系统,其特征在于:所述风电机组变桨系统包括变桨控制器及第三外围接口与供电电路,所述变桨控制器是风电机组变桨系统的核心,主要采用PLC控制器或微处理器,负责变桨系统核心算法的执行和变桨系统动作指令的上传与下发;
    所述第三外围接口与供电电路主要包括硬接线I/O、Modbus串口通信、Modbus TCP通信接口以及交流110V、交流220V和直流24V供电电路。

    6.  根据权利要求2所述的风电机组控制器在线实时仿真测试系统,其特征在于:所述风 电机组控制器下发的动作指令包括风电机组动作指令、变流器动作指令和变桨系统动作指令。

    7.  根据权利要求1所述的风电机组控制器在线实时仿真测试系统,其特征在于:所述实时仿真交互系统包括接口转换模块和实时仿真系统;完成风电机组控制器与风电机组系统仿真模型之间的数据转移、传输与存储,定制风电机组的控制与保护逻辑,在实时仿真系统中完成风电机组的实时仿真与运行。

    8.  根据权利要求7所述的风电机组控制器在线实时仿真测试系统,其特征在于:所述接口转换模块包括依次连接的接收器、数据转换器和适配器;所述接收器一端通过硬接线与风电机组控制器连接,另一端连接数据转换器;所述适配器一端与数据转换器连接,另一端通过硬接线或PCB板卡与所述实时仿真系统连接;
    所述接收器与数据转换器之间、数据转换器和适配器之间均通过可插拔形式连接。

    9.  根据权利要求7所述的风电机组控制器在线实时仿真测试系统,其特征在于:所述实时仿真系统由仿真执行主机和仿真控制主机组成;
    所述仿真执行主机选用高性能工控机;所述高性能工控机包括CPU控制模块、IO模块和通讯模块,且需要安装实时操作系统,以保障系统仿真的高实时性和真实性;
    所述仿真控制主机对实时仿真系统中全部参数进行设定,通过网络引擎的消息机制对仿真执行主机的模型进行在线和实验预设值,支持点选式的实验任务和实验序列进行选择与配置,提供友好的人机交互界面。

    10.  根据权利要求1所述的风电机组控制器在线实时仿真测试系统,其特征在于:所述风电机组系统仿真模型包括风速模型、风力机模型、柔性传动链模型、发电机模型和电网模型;
    所述风速模型采用随机风速生成或采用实测数据;
    所述风力机模型和柔性传动链模型均采用有限元建模方法,反映风电机组在运行与保护期间载荷与受力情况,用于研究系统各构件间的相对空间运动与构件弹性变形相互影响和耦合;
    所述发电机模型采用5阶电磁暂态模型,所述5阶电磁暂态模型包括定子模型、转子模型和传动模型;
    所述电网模型采用理想电压源与系统等效阻抗的串联模型。

    说明书

    说明书一种风电机组控制器在线实时仿真测试系统
    技术领域
    本发明涉及一种测试系统,具体涉及一种风电机组控制器在线实时仿真测试系统。
    背景技术
    风电机组性能测试评估是提高风电机组并网性能的重要技术手段。现有的风电机组性能测试评估方法主要有:模型算法仿真、对拖平台测试和现场测试。模型算法仿真主要是应用Matlab/Simulink、GH Bladed和PowerFactory等仿真软件建立风力发电机组的模型并利用模型进行仿真分析的测试手段,该方法偏向于风电机组设计初期,控制逻辑与策略的初步验算,测试结果的准确度与模型准确度强相关。对拖平台测试是利用电动机、发电机全功率模拟对拖平台模拟实际风电机组,然而其无法模拟风电机组的全部工况,适应于部分工况下风电机组发电机、变流器控制策略开发与性能测试,且其试验占地大、成本高。现场测试可以全面反映风电机组真实性能,然而由于风电的随机性与波动性,现场受机组自身与环境的影响显著,其试验周期长、成本高、风险大,不利于新型控制算法与性能提升方案的快速试验验证。
    申请号为201120348789.1的实用新型虽然提供了一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统,但其风电机组模型较为简单,无法反应风电机组的实际电磁状态;另外,其仿真模型在非实时系统中运行,无法保障主控系统与仿真模型的实时性要求,可能对测试结果带来偏差。
    发明内容
    为了克服上述现有技术的不足,本发明提供一种风电机组控制器在线实时仿真测试系统,该系统兼容通讯方式和硬接线方式,为实现风电机组多种实时硬件在线仿真提供应用平台。系统将被测风电机组主控系统控制器、变桨控制器和变流器的控制器与风电机组系统仿真模型通过实时仿真交互系统实现实时数据交互运行与仿真,为被测风电机组控制器仿真模拟最大程度的真实运行环境,通过被测风电机组控制器的外部硬件和内部数据的表现和对数据的分析达到对风电机组控制器控制和测试的目的。同时,利用实测数据对风电机组系统仿真模型进行校核,得到较为准确的风电机组系统仿真模型,利用风电机组控制器在线实时仿真测试系统仿真评估风电机组运行与并网特性。利用该仿真测试系统可以在实验室环境下实现风 电机组运行与保护特性的测试与评估,有利于新型控制算法与性能提升方案的快速试验验证。
    为了实现上述发明目的,本发明采取如下技术方案:
    提供一种风电机组控制器在线实时仿真测试系统,所述系统包括风电机组控制器、实时仿真交互系统和风电机组系统仿真模型;所述风电机组控制器下发动作指令给所述实时仿真交互系统,所述实时仿真交互系统将接收的动作指令进行转换,并将转换后的动作指令传输给所述风电机组系统仿真模型,所述风电机组系统仿真模型执行实时仿真交互系统传输的动作指令,提供风电机组控制器所需的反馈信号,并将反馈信号通过所述实时仿真交互系统反馈给所述风电机组控制器。
    所述风电机组控制器包括风电机组主控系统、变流器控制系统和风电机组变桨系统。
    所述风电机组主控系统包括主控系统控制器及第一外围接口与供电电路;
    所述主控系统控制器为所述风电机组主控系统的核心,主要采用PLC控制器或微处理器,对风电机组主控程序的执行和风电机组运行及保护的全过程进行控制;
    所述第一外围接口与供电电路主要包括硬接线I/O、Modbus串口通信、Canopen通信、RS485串口通信、Modbus TCP通信接口以及交流110V、交流220V、直流24V和直流5V供电电路。
    所述变流器控制系统包括变流器的控制器及第二外围接口与供电电路;
    所述变流器的控制器是变流器控制系统的核心,其采用DSP处理器、FPGA处理器或DSP处理器和FPGA处理器结合的形式,负责变流器核心算法的执行和变流器PWM调制信号的发生与保护;
    所述第二外围接口与供电电路主要包括硬接线I/O、Modbus串口通信、RS485串口通信接口以及交流220V、直流24V和直流5V供电电路。
    所述风电机组变桨系统包括变桨控制器及第三外围接口与供电电路,所述变桨控制器是风电机组变桨系统的核心,主要采用PLC控制器或微处理器,负责变桨系统核心算法的执行和变桨系统动作指令的上传与下发;
    所述第三外围接口与供电电路主要包括硬接线I/O、Modbus串口通信、Modbus TCP通信接口以及交流110V、交流220V和直流24V供电电路。
    所述风电机组控制器下发的动作指令包括风电机组动作指令、变流器动作指令和变桨系统动作指令。
    所述实时仿真交互系统包括接口转换模块和实时仿真系统;完成风电机组控制器与风电机组系统仿真模型之间的数据转移、传输与存储,定制风电机组的控制与保护逻辑,在实时 仿真系统中完成风电机组的实时仿真与运行。
    所述接口转换模块包括依次连接的接收器、数据转换器和适配器;所述接收器一端通过硬接线与风电机组控制器连接,另一端连接数据转换器;所述适配器一端与数据转换器连接,另一端通过硬接线或PCB板卡与所述实时仿真系统连接;
    所述接收器与数据转换器之间、数据转换器和适配器之间均通过可插拔形式连接。
    所述实时仿真系统由仿真执行主机和仿真控制主机组成;
    所述仿真执行主机选用高性能工控机;所述高性能工控机包括CPU控制模块、IO模块和通讯模块,且需要安装实时操作系统,以保障系统仿真的高实时性和真实性;
    所述仿真控制主机对实时仿真系统中全部参数进行设定,通过网络引擎的消息机制对仿真执行主机的模型进行在线和实验预设值,支持点选式的实验任务和实验序列进行选择与配置,提供友好的人机交互界面。
    所述风电机组系统仿真模型包括风速模型、风力机模型、柔性传动链模型、发电机模型和电网模型;
    所述风速模型采用随机风速生成或采用实测数据;
    所述风力机模型和柔性传动链模型均采用有限元建模方法,反映风电机组在运行与保护期间载荷与受力情况,用于研究系统各构件间的相对空间运动与构件弹性变形相互影响和耦合;
    所述发电机模型采用5阶电磁暂态模型,所述5阶电磁暂态模型包括定子模型、转子模型和传动模型;
    所述电网模型采用理想电压源与系统等效阻抗的串联模型。
    与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
    (1)该系统中风电机组控制器与风电机组系统仿真模型的数据交互与仿真在实时操作系统中完成,极大程度地保障了系统试验与检测的实时性与真实性。
    (2)该系统可在实验室环境下进行风电机组主控系统控制器、变桨系统控制器和变流器系统控制器程序的设计与调试,并可快速的进行程序控制性能、保护性能、健壮性和稳定性等试验验证,大大减轻了风电机组控制系统研发成本,缩短了风电机组控制系统研发周期。
    (3)最大程度的仿真模拟了风电机组真实运行环境,可以进行风电机组载荷、功率曲线、电能质量、功率控制、电网适应性与低电压穿越性能测试与评估,为风电机组运行特性测试与评估提供了重要的技术手段。
    (4)风电机组主控系统控制器、变桨系统控制器和变流器系统控制器反映了最为真实 的风电机组控制系统特性,因此可利用其进行风电机组更换控制系统后的运行特性测试与评估。
    附图说明
    图1是本发明实施例中风电机组控制器在线实时仿真测试系统结构图;
    图2是本发明实施例中接口转换模块示意图;
    图3是本发明实施例中实时仿真系统多引擎系统程序结构图;
    图4是本发明实施例中风电机组系统仿真模型结构图;
    图5是本发明实施例中风电机组低电压穿越测试序列示意图;
    图6是本发明实施例中风电机组低电压穿越测试期间发电机转矩指令测试曲线图;
    图7是本发明实施例中风电机组低电压穿越测试期间有功功率测试曲线图;
    图8是本发明实施例中风电机组低电压穿越测试期间发电机转速测试曲线图。
    具体实施方式
    下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
    本发明提供一种风电机组控制器在线实时仿真测试系统,将被测风电机组主控系统控制器、变桨系统控制器和变流器系统控制器与风电机组系统仿真模型通过实时仿真交互系统实现实时数据交互运行与仿真,最大限度的保证了系统仿真的真实性与实时性,为被测风电机组控制器最大程度地提供了真实运行环境。利用该仿真测试系统可在实验室环境下测试风电机组控制器,实现风电机组运行与保护特性的测试与评估,有利于新型控制算法与性能提升方案的快速试验验证,特别适用于风电机组更换主控系统后的性能测试与评估。
    如图1,风电机组控制器在线实时仿真测试系统包括风电机组控制器、实时仿真交互系统和风电机组系统仿真模型;所述风电机组控制器下发动作指令给所述实时仿真交互系统,所述实时仿真交互系统将接收的动作指令进行转换,并将转换后的动作指令传输给所述风电机组系统仿真模型,所述风电机组系统仿真模型执行实时仿真交互系统传输的动作指令,模拟风电机组正常运行及各种保护状态,提供各种状态下的风电机组控制器所需的反馈信号,并将反馈信号通过所述实时仿真交互系统反馈给所述风电机组控制器。
    所述风电机组控制器包括风电机组主控系统、变流器控制系统和风电机组变桨系统。
    所述风电机组主控系统包括主控系统控制器及第一外围接口与供电电路;
    所述主控系统控制器为所述风电机组主控系统的核心,主要采用Mita、Beckhoff、 Bachmann、B&R等的PLC控制器或微处理器,对风电机组主控程序的执行和风电机组运行及保护的全过程进行控制;
    所述第一外围接口与供电电路主要包括硬接线I/O、Modbus串口通信、Canopen通信、RS485串口通信、Modbus TCP通信接口以及交流110V、交流220V、直流24V和直流5V供电电路。
    所述变流器控制系统包括变流器的控制器及第二外围接口与供电电路;
    所述变流器的控制器是变流器控制系统的核心,其采用DSP处理器、FPGA处理器或DSP处理器和FPGA处理器结合的形式,负责变流器核心算法的执行和变流器PWM调制信号的发生与保护;
    所述第二外围接口与供电电路主要包括硬接线I/O、Modbus串口通信、RS485串口通信接口以及交流220V、直流24V和直流5V供电电路。
    所述风电机组变桨系统包括变桨控制器及第三外围接口与供电电路,所述变桨控制器是风电机组变桨系统的核心,主要采用PLC控制器或微处理器,负责变桨系统核心算法的执行和变桨系统动作指令的上传与下发;
    所述第三外围接口与供电电路主要包括硬接线I/O、Modbus串口通信、Modbus TCP通信接口以及交流110V、交流220V和直流24V供电电路。
    所述风电机组控制器下发的动作指令包括风电机组动作指令、变流器动作指令和变桨系统动作指令。
    所述实时仿真交互系统包括接口转换模块和实时仿真系统;完成风电机组控制器与风电机组系统仿真模型之间的数据转移、传输与存储,定制风电机组的控制与保护逻辑,在实时仿真系统中完成风电机组的实时仿真与运行。
    如图2,接口转换模块包括依次连接的接收器、数据转换器和适配器;所述接收器一端通过硬接线与风电机组控制器连接,另一端连接数据转换器;所述适配器一端与数据转换器连接,另一端通过硬接线或PCB板卡与所述实时仿真系统连接;
    所述接收器与数据转换器之间、数据转换器和适配器之间均通过可插拔形式连接,可靠性高,支持20000次以上插拔。可以提供被测对象和测试仪器间的电气连接,可同时连接大量的不同种类的信号,如数字、模拟、射频、功率、光纤、热电偶等。
    所述实时仿真系统由仿真执行主机和仿真控制主机组成;
    所述仿真执行主机选用高性能工控机;所述高性能工控机包括CPU控制模块、IO模块和通讯模块,且需要安装实时操作系统(RTOS),以保障系统仿真的高实时性和真实性;
    所述仿真控制主机对实时仿真系统中全部参数进行设定,通过网络引擎的消息机制对仿真执行主机的模型进行在线和实验预设值,支持点选式的实验任务和实验序列进行选择与配置,提供友好的人机交互界面。
    仿真执行主机是整个系统的核心单元,完成实验数据产生,模型实时仿真和硬件输出的主体功能。其主要实现各主控系统和变桨系统的控制原理程序;实现数据量到IO转化和硬接线输出,完成通讯协议程序编制和通讯硬接线输出;实现风电机组冷却系统、液压系统、润滑模型、偏航模型、刹车系统、温升系统、安全链等可配置的简易模型,并提供风电机组系统仿真模型接口(dll.);实现系统内数据交互和在线数据修改功能。同时,仿真主机负责调用引擎管理机制管理数据采集引擎模块、序列执行模块、模型运行模块、数据资源管理模块,完成与系统仿真模型的数据交互、序列执行、试验参数流程化设置、条件判别、分析算法添加和硬件自定义映射功能。
    实时仿真系统程序架构设计采用多引擎托管式的设计模式,如图3所示。主程序调用并管理多个功能性质的引擎,由引擎管理功能实现子线程,实现各模块间的功能协作。仿真主机初始化本地资源后完成系统的环境检查,调用网络引擎以等待数据互联请求;调用模型引擎以等待模型的加载与调用请求;调用数据采集引擎以等待数据采集任务的加载;调用序列引擎准备执行相关测试用例。之后数据库建立与系统仿真模型基于内存共享的高速数据通信,将模型输出数据按照既定的数据格式缓存在数据存储区,以供其他引擎间数据共享的需要。同时错误监控机制打开,高优先级处理整个程序的错误状态。
    如图4,所述风电机组系统仿真模型包括风速模型、风力机模型、柔性传动链模型、发电机模型和电网模型;
    所述风速模型采用随机风速生成或采用实测数据;
    所述风力机模型和柔性传动链模型均采用有限元建模方法,反映风电机组在运行与保护期间载荷与受力情况,用于研究系统各构件间的相对空间运动与构件弹性变形相互影响和耦合;
    柔性传动链模型认为风电机组传动链低速轴与高速轴是柔性的,它允许风轮转子和发电机转子有各自的旋转自由度,风轮转子的加速度依赖于气动转矩和低速轴转矩的不平衡,发电机转子的加速度依赖于高速轴转矩和发电机加载转矩之间的不平衡,其综合考虑到系统机电暂态的准确性与仿真速度,柔性传动链模型既需满足机电暂态仿真需要,又要极大程度的接近传动链的实际情况。
    所述发电机模型采用5阶电磁暂态模型,所述5阶电磁暂态模型包括定子模型、转子模 型和传动模型;
    所述电网模型采用理想电压源与系统等效阻抗的串联模型。
    风电机组系统仿真模型可以是基于单一建模环境的风电机组模型,如Matlab/Simulink模型、GH Bladed模型、PowerFactory Digsilent模型和Pscad/Emtdc模型;也可以是以上多个模型的联合仿真模型,如GH Bladed+Matlab/Simulink联合仿真模型、PowerFactoryDigsilent+Matlab/Simulink联合仿真模型等。风电机组系统仿真模型为实时仿真交互系统提供主控系统正常执行所需要的一些反馈信号,如发电机转速、风速等信息;同时接收风电机组控制系统经实时仿真交互系统下达的指令信息,如发电机加载转矩、风电机组变桨指令等。
    利用风电机组运行特性实时仿真测试平台可以在实验室环境下进行风电机组功能特性、保护特性与运行性能测试。通过控制主机设置风电机组低电压穿越测试的初始值,具体包括风速、电压幅度、系统延时等参数,基于电机组运行特性实时仿真测试平台的风电机组低电压穿越测试序列示意图如图5所示,通过上位机更改测试平台风速与电压幅度信息,实现风电机组在大风与小风情况下的低电压穿越测试。测试过程中风电机组发电机转矩指令值、输出有功功率曲线和发电机转速分别如图6~图8所示。
    最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

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    一种 机组 控制器 在线 实时 仿真 测试 系统
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