•机械研究与应用• 2020年第6期（第33卷，总第170期）电机工程
doi ： 10.16576/jki. 1007-4414.2020.06.048
蒋登科
(湖南农业大学，湖南长沙4丨0100)
摘要：风力发电产业快速发展，风机运行时环境复杂，风机的主控控制系统的控制策略如果存在问题，将直接导致出现重大故障。针对风力发电机控制程度的升级及版本更换问题，提出建立半实物仿真平台，对风力发电机控制系统进行仿真测试，实践应用验证了风力发电机控制系统半实物仿真平台能有效的测试控制系统的控制逻辑、控制策略的正确性，确保风力发电机安全可靠运行。 关键词：风力发电机；半实物仿真；测试；逻辑；策略
中图分类号：TP15 文献标志码：A 文章编号：1007-4414(2020)06-0177-02
Design and Application of Semi-Physical Simulation Platform for Wind Power Generator Control System
JIANG Deng-ke
(Hunan Agricultural University, Changsha Hunan 410100, China)
A bstract：Nowadays, the wind power generation and its model upgrading develop rapidly；in view of the upgrading of wind
turbine control degree and version replacement problem, the semi-physical simulation platform is proposed in this article. The simulation test is carried out on the wind turbine control system ；the practical application proves that the semi-physical simulation platform of wind turbine control system can effectively test the correctness of the control logic and control strategy of the control system, and ensure the safe and reliable operation of wind turbines.
Key w ords：wind power generator；semi-physical simulation；test；logic; strategy
〇引言
风能作为一种无污染、可再生的能源，蕴藏量丰 富，全球的风能约为2.74xl〇9M W，其中可利用的风 能为2xl〇7M W，比地球上可开发利用的水能总量还 要大10倍。我国风能资源丰富，可开发利用的风能 储量约为10亿k W。把风的动能转变成机械能，再把 机械能转化为电力动能，这就是风力发电，风
力发电 所需要的装置，称作风力发电机组。
在近15年国家政策的支持下，风电产业进人高 速发展时期，装机数童飞速增长，随之而来的是出现 了较多的严重风机故障。由于风机在运行时的环境 复杂，甚至相当恶劣，风况也变化相当快，如果风机的 主控控制系统的控制策略存在问题，那将直接导致出 现重大故障甚至是灾难。
风机半实物仿真平台为风机主控制模拟全面的 风机运行环境，对主控控制程序进行各种风况下的功 能、性能测试，对控制算法进行仿真，验证控制策略的 正确性，降低甚至避开风机实际运行风险，可以提供 现场故障复现，为故障分析与解决方案的制定提供依 据和解决方法。笔者通过对控制系统半实物仿真平 台整体设计方案、仿真平台实现、主控控制器仿真运 行测试及应用，得出控制半实物仿真平台设计方案能够系统的对风力发电主控程序进行仿真测试，能够发 现并解决主控程序在进人风力发电机实际运行前的 逻辑错误、算法错误、故障码问题等。
1控制系统半实物仿真平台设计方案
半实物仿真测试平台由P C计算机、数据模拟系 统、主控系统及人机交互系统组成，整体结构见图1。通过数据模拟系统搭建主控系统与风机模型的数据交 互桥梁，使主控系统与风机模型实现联合仿真，可进行 控制算法、控制逻辑、故障码等多功能的仿真测试。 P C计算机：用于安装和运行仿真软件Bladed，并 通过Hardware Test与数据模拟系统进行数据交互。
主控系统：用于运行主控程序、接收风机环境模 拟信号、发送风机运行控制指令。
数据模拟系统：模拟风机部分环境变量，并将风 机Bladed模型的运行数据转化为主控系统可以接收 的形式，为主控系统提AI0、DI0、C A N等提供输人; 接收主控控制指令，并转化和传递给Bladed模型运 行。
2半实物仿真平台实现
风力发电机控制系统半实物仿真平台主要包括 风机模型、主控控制器（包括控制程序）、数据交互系 统、人机交互界面。
收稿日期：2020-09-25
作者简介：蒋登科（丨986-)，男，湖南岳阳人，工程师，主要从事风力发电方面的研究设计T作。
电机工程2020年第6期（第33卷，总第170期）•机械研究与应用•
图1半实物仿真平台结构丨?1
2.1风机模型设计
平台设计采用G H Bladed建模，风力发电机组分 为叶片、传动链、发电机、电力电子装置和控制器。可 以通过G H Bladed中的输入参数来定义和建立模型，该软件通过德国劳氏船级社的认证，被广泛应用于风 力发电机设计和认证过程中的载荷分析，是当前风电 行业使用的标准软件。在W a d e d软件中，进行风机 各部件参数设置，设置界面如图2。
图2风机参数设置
2.2主控控制器和控制程序
此次设计主控控制器和控制程序采用三一某型 号风力发电机实际使用的控制器和控制程序，控制器 为巴赫曼工业P L C，通过操作软件solutioncenter对控 制器进行相应的操作。此设计为全硬件在环设计，所 以不需要修改I/O 口参数，不需要对控制程序作任何 修改。Blad«丨软件的外部控制器D L L运行后和数据 交互系统通讯，数据交互系统再将相应的I/O 口数据 与主控制控制器交换，主控程序运行状况通过人机界 面实时呈现。
2.3数据交互系统
此次设计数据交互系统采用相应的P L C进行数 据处理和发生，为主控制控制器I/O 口提供风机模拟 外部条件产生的数据，同时主控控制器运行发出的数 据通过I/O 口发送给数据交互系统，数据交互系统
与Bladed进行数据交互。变流器及其他通过C A N通讯 与主控控制器通讯的部件，这部分数据则通过数据交 互系统与主控控器进行C A N通讯数据交换。
2.4人机交互界面
此次设计人机交互系统采用三一某型号风力发 电机实际使用的人机交互界面，通过以太网线进行通 讯，将主控控制器实际运行的数据在人机界面上实时 显示，可以对主控程序进行相应的设置，如停机启机、限功率、各部件的启停等。
3主控控制器仿真运行测试及应用
先在Hardware Test仿真系统中设置好运行工况，并启动仿真。数据模拟系统将接收到的风机Bladed模型运行数据和环境模拟数据转换成主控系 统接收的信号，主控系统接收风机相应数据，按程序 运行并发出控制指令反馈给数据模拟系统，模拟系统 再将指令传递给P C，控制Bladed模型的运行。试验 人员可观察风机模拟运行状况，并对风机模拟运行数 据进行录波和分析。
1733
TSInput X Y Display
发电1通停机(s3t)Ch9：发电机转速(rpm)
发电-S通停机(s3t)Ch11：功率(K W)
°0 500 1000 15002000250030003500 «00 45005000 55006C00 K00 700075008000
___________________________TiwiSeaends)______________________
m3主控程序在某工况下的运行曲线
通过对某型号风机主控程序运行测试，在设定特 定的T况下，主控程序运行情况如图3曲线记录所 示，图示记录主控程序的桨距角、偏航角度、转矩万分 比、发电机转速及发电功率等主要参数。仿真测试发 现正常停机和紧急停机状况下，存在桨距角设定和转 矩控制逻辑存在问题，如出现大于切出风速的阵风 时，转矩提前减小，则有飞车的风险。通过仿真测试 极端T：况下主控程序的运行情况，能够对设计的缺陷 进行及时修复完善，对收桨速度和转钜控制上进行优 化，确保主控程序以最优状态进人主机试运行。
4结语
此次设计是建立在三一重能有限公司的风力发
(下转第181页1
.机械研究与应用 • 2〇2〇年第6期
（第33卷，总第170期）
电机丁.程
闸后动触点与静触点闭合，通过测量动静触头接触力 可得触头终压力约为16.6 N 。为了计算触头超程，取 消动静触头接触设置重新计算合闸，测量合闸后动触 头相对静触头表面距离，得出动触头超程
为5.2 m m 。
(3)
脱扣：操作机构合闸后，合闸状态为四连杆，
机构处于静止状态，此时触头完全闭合。合闸、分闸 状态时，主弹簧被拉伸有储能，但跳扣（E D )被锁扣进 行限位，使机构保持四连杆状态。在锁扣受到外力 (手动脱扣、电磁脱扣、电热脱扣）时，使锁扣运动。 对锁扣施加受力函数：step (time，0,0，1.1,0) + step (time ,1.1,0, 1.2,5) +step( time，1_2,0,1.3，—5)〇 锁 扣受力后，D 点恢复自由状态，跳扣（
)脱离限位状
态，操作机构转变为五连杆机构，五连杆分别是转轴 (0/1)、下连杆（4B )、上连杆（6C )、跳扣（££>)、机构 (0£)。在跳扣（£/))脱扣后，操作机构在弹簧作用下
动作，使动触头与静触头快速分离。(4) 再扣：操作机构脱扣后，需要手动操作手柄 进行复位。对手柄施加一个向分闸方向的力，£端为 只有旋转的固定端，手柄对跳扣（£/))通过其限位进 行推动，跳扣（££>)到达位置后锁扣重新对跳扣（£/)) 进行限位，此时D 点固定，跳扣（£D )成为固定杆，机 构重新变成四连杆机构。
3仿真值与实测数据对比
利用高速摄像机可以拍摄操作机构运动过程，并
且测量其分合闸时间。将仿真数据与实测数据进行对比，进而验证运动仿真的准确性，使得仿真结果可.................................................................
(上接第178页）
电机控制系统半实物仿真平台开发项目基础上，风力 发电机主控控制程序通过半实物仿真平台测试，能够 清晰的掌握主控程序控制逻辑、控制算法是否符合设 计要求，是否能够达到国家标准要求。
风力发电机控制系统半实物仿真平台的设计与 应用，为风力发电机主控程序概念设计、新控制功能 开发与验证、缩短产品研发周期的重要设计手段，对 于大型风力发电机组来说，运行工况复杂、恶劣，如何 实现风机可靠性与安全性的仿真测试尤为重要。
靠有效，仿真值与实测值对比如表2所列。
表2
仿真值与实测值对比表
运动参数实测数值
仿真数值
误差值/%
终压力/N 16.9
16.6 1.8开距/mm 36.136.40.2超程/mm 5.3 5.2 1.9分闸时间/ms 10.5105合闸时间/ms
7.78 3.75
通过实测数据与仿真数值对比，误差最大为 5%，仿真结果可靠。误差来源可能为摩擦力参数设 置以及碰撞力系数设置造成的误差累加。
4结语
通过仿真分析计算断路器机构的全运动过程，进
而得到机构的运动时间、位移、速度、加速度、受力等
数据。并将仿真分析数据与实测结果的对标，验证仿
真的可靠性。由此可以将仿真结果作为理论依据提 取其中的数据，不仅为机构优化打下基础，也提高了 产品设计效率，缩短研发周期。参考文献：
[1] 尹天文.低压电器技术手册[M ].北京：机械工业出版社,2014.[2]
陈立平，张云清，任卫.机械系统动力学及ADAMS 应用教程
[M ].北京：清华大学出版社,2005.
[3] 连云飞.离心原动机驱动的引信钟表机构运动仿真[D ].太原：中
北大学,2016.
参考文献：
大型风力发电机组[1]
李长青，丁立新，关哲，等.仿真技术在风力发电系统中的应用
[•1].电力科学与工程,2008,24(8):5-13.
[2] 李晶，宋家骅，王伟胜.大型变速恒频风力发电机组建模与仿
真[门.中国电机丁.程学报,2004,24(6):6-10.
[3] 孔屹刚.风力发电技术及其MATLAB 与Bladecl 仿真[M ].北京：
电子工业出版社,2013.
[4] 刘兴华，敬维，林威.GH Bladed 和Mallab 的交互软件设计
及风力发电机的独立变桨控制器仿真研究[•(].中国电机工程 学报，2013,24(22) :6-7.
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