风力发电机组的仿真实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及风力发电机组的仿真设备领域，尤其涉及一种风力发电机组的仿真实验装置。


背景技术：

2.风力发电机组的半实物仿真平台可以集成大型机组的运行工况设定、控制器测试环节，缩短开发周期，以提升风力发电机组的开发效率。半实物仿真平台主要由运行仿真系统的计算机、运行风力发电机组主控系统的主控器和一些扩展功能组成，主要可以分为两个部分：一是硬件控制器和用来满足计算的风力发电机组模型，能够计算和响应控制器和风力发电机组之间的指令；二是用来为外部控制器建立正确连接的数据通讯接口，将模拟计算结果，如风-浪-流数据、桨距角、发电机转速、转矩等信息反馈给风力发电机组外部控制器。
3.现有的风力发电机组的半实物仿真平台，在执行变桨控制和偏航控制的实现依然是在bladed软件中进行的，缺少变桨驱动和偏航驱动的硬件设计，这与真实风力发电机组的控制结构存在明显的差异，影响了风力发电机组过程控制验证的真实性和有效性。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种风力发电机组的仿真实验装置。
5.具体地，本实用新型是通过如下技术方案实现的：
6.本实用新型实施例提供一种风力发电机组的仿真实验装置，包括仿真器、plc主控器、变桨执行机构、偏航执行机构以及变流器系统，其中，所述仿真器分别与所述plc主控器、所述变桨执行机构、所述偏航执行机构、所述变流器系统通信连接，所述plc主控器分别与所述变桨执行机构、所述偏航执行机构、所述变流器系统通信连接；
7.其中，所述仿真器仿真风力发电机组的机械模型；
8.所述plc主控器控制所述变桨执行机构和所述偏航执行机构分别动作，所述仿真器根据所述变桨执行机构的输出确定出的桨距角、所述偏航执行机构的输出确定出的机舱偏航角度以及所述变流器系统的输出的转矩信号，模拟对所述机械模型的控制。
9.可选地，还包括激光雷达以及送风装置，所述送风装置产生风，所述激光雷达与所述plc主控器通信连接，所述激光雷达检测环境风信息，所述plc主控器根据所述环境风信息，控制所述变桨执行机构和所述偏航执行机构分别动作。
10.可选地，所述变桨执行机构包括伺服驱动器、电动机以及减速机构，所述伺服驱动器与所述plc主控器通信连接，所述伺服驱动器根据所述环境风信息中的风速信息控制所述电动机带动所述减速机构的输出轴齿轮旋转。
11.可选地，所述变桨执行机构还包括第一传感器，测量所述减速机构的输出轴齿轮的第一转动信息，并传输给所述仿真器。
12.可选地，所述第一传感器包括速度传感器和/或角度传感器。
13.可选地，所述偏航执行机构包括步进驱动电机。
14.可选地，所述偏航执行机构还包括第二传感器，测量所述步进驱动电机的输出轴的第二转动信息，并传输给所述仿真器。
15.可选地，所述第二传感器包括速度传感器和/或角度传感器。
16.可选地，所述变流器系统包括通信电路、变流器控制电路、变流器驱动电路以及rt box平台，其中，所述rt box平台模拟所述风力发电机组的变流器的igbt模块以及电网平台。
17.可选地，所述plc主控器与所述通信电路之间通过profibus dp通信接口实现通信，所述通信电路与所述变流器控制电路之间通过can通信接口实现通信。
18.根据本实用新型实施例提供的技术方案，通过设置变桨执行机构和偏航执行机构，能够直观地表现出过程控制风力发电机组的执行动作，更好地调整plc主控器控制变桨执行机构和偏航执行机构的逻辑，以及如何优化变桨执行机构和偏航执行机构；同时，通过变桨执行机构、偏航执行机构等硬件实现在环仿真，充分展现了实时联合仿真平台的独特性能，对制定、优化机组控制策略、评估大部件结构设计、基于实际动态环境的疲劳分析，具有重要的工程应用价值。
19.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本实用新型一示例性实施例示出的一种风力发电机组的仿真实验装置的结构示意图；
22.图2是本实用新型另一示例性实施例示出的一种风力发电机组的仿真实验装置的结构示意图；
23.图3是本实用新型另一示例性实施例示出的一种风力发电机组的仿真实验装置的结构示意图；
24.图4是本实用新型一示例性实施例示出的一种变流器系统的部分结构示意图；
25.图5是本实用新型一示例性实施例示出的一种变流器控制电路的结构示意图。
26.附图标记：
27.1、仿真器；2、plc主控器；3、变桨执行机构；31、伺服驱动器；32、电动机；33、减速机构；4、偏航执行机构；41、步进驱动电机；5、激光雷达；6、变流器系统；61、通信电路；62、变流器控制电路；63、变流器驱动电路；64、rt box平台。
具体实施方式
28.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例
中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置和方法的例子。
29.在本实用新型使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
30.应当理解，尽管在本实用新型可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本实用新型范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
31.随着风力发电机组的快速发展，其部件及各个控制子系统越来越复杂，从而也增加了设计和调试上的难度。因此对于大功率风力发电机组仿真平台建设的需求越来越强烈，其运行环境、控制系统结构是一个重要的挑战。现有的风力发电机组运行仿真技术包括软件在环仿真和半实物仿真两大类，其中，前者只能对控制算法的基本逻辑进行验证，而后者主要针对的都是风力发电机组主控算法层面的仿真，没有扩大到包含主控的变桨控制、偏航控制等在内的整个风力发电系统的仿真能力。
32.对于此，本实用新型实施例的仿真实验装置，通过设置变桨执行机构和偏航执行机构，能够直观地表现出过程控制风力发电机组的执行动作，更好地调整plc(programmable logic controller，可编程逻辑控制器)主控器控制变桨执行机构和偏航执行机构的逻辑，以及如何优化变桨执行机构和偏航执行机构；同时，通过变桨执行机构、偏航执行机构等硬件实现在环仿真，充分展现了实时联合仿真平台的独特性能，对制定、优化机组控制策略、评估大部件结构设计、基于实际动态环境的疲劳分析，具有重要的工程应用价值。
33.下面结合附图，对本实用新型的风力发电机组的仿真实验装置进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
34.参见图1，本实用新型实施例提供一种风力发电机组的仿真实验装置，该仿真实验装置可包括仿真器1、plc主控器2、变桨执行机构3、偏航执行机构4以及变流器系统6，其中，仿真器1分别与plc主控器2、变桨执行机构3、偏航执行机构4、变流器系统6通信连接，plc主控器2分别与变桨执行机构3、偏航执行机构4、变流器系统6通信连接。
35.在本实用新型实施例中，仿真器1仿真风力发电机组的机械模型，例如，风力发电机组的叶片和塔架是由质量和刚度呈连续均匀分布的柔性悬臂组成，以塔架为主体建模，并在机舱位置的偏航轴承处与塔架顶部单元连接。基于集中附加质量建立机舱模型，主轴连接机舱重心和轮毂，叶片模型与轮毂相连。这样的风力发电机组的机械模型求解可以获得满足设计及工程使用要求的动力学特征。其中，仿真器1可以为bladed仿真器，也可以为其他类型的仿真器。
36.其中，plc主控器2控制变桨执行机构3和偏航执行机构4分别动作，仿真器1根据变桨执行机构3的输出确定出的桨距角、偏航执行机构4的输出确定出的机舱偏航角度以及变流器系统6的输出的转矩信号，模拟对机械模型的控制。
37.需要说明的是，本实用新型实施例中，仿真器1仿真风力发电机组的机械模型、plc主控器2控制变桨执行机构3和偏航执行机构4分别动作以及仿真器根据相应参数模拟对机械模型的控制，上述过程可以采用现有程序实现。
38.再参见图1，本实用新型实施例的仿真实验装置还可包括激光雷达5以及送风装置(未显示)，风装置产生风，以模拟仿真实验装置在真实的风力发电机组所处的风环境中。激光雷达5与plc主控器2通信连接，激光雷达5检测环境风信息，plc主控器2根据环境风信息，控制变桨执行机构3和偏航执行机构4分别动作。通过激光雷达可以很好地开展风速前馈、模型预测等算法的试验，对开发实际的控制算法具有帮助。
39.需要说明的是，环境风信息即为仿真实验装置当前所在位置处的环境风信息，可以包括风速信息和风向信息等信息。可选地，在一些实施例中，环境风信息包括实时风速和实时风向；在另外一些实施例中，环境风信息除包括实时风速和实时风向外，还包括预测风速和预测风向。其中，实时风速可为仿真实验装置当前所在位置处预设距离范围内(如风电场实地的仿真实验装置100米以内的区域)的平均风速，实时风向可为仿真实验装置当前所在位置处预设距离范围内的风向，预测风速可为仿真实验装置当前所在位置处预设距离外，且激光雷达5能够探测到的区域的平均风速，预测风向可为仿真实验装置当前所在位置处预设距离外，且激光雷达5能够探测到的区域的风向。
40.送风装置可以为风机、风扇或者其他类型的送风装置。
41.通过变桨执行机构3应对风速变化，可改善风力发电机组的气动功率捕获和结构载荷优化。
42.参见图2，本实用新型实施例的变桨执行机构3可包括伺服驱动器31、电动机32以及减速机构33，其中，伺服驱动器31与plc主控器2通信连接，伺服驱动器31根据环境风信息中的风速信息控制电动机32带动减速机构33的输出轴齿轮旋转，从而通过仿真器1模拟驱动机械模型中的桨叶。具体地，plc主控器2根据风速信息，下发变桨控制命令给伺服驱动器31，由伺服驱动器31对变桨控制命令进行处理(如信号放大、数据格式转换等)后，控制电动机32带动减速机构33的输出轴齿轮旋转。
43.进一步地，变桨执行机构3还可包括第一传感器，该第一传感器测量减速机构33的输出轴齿轮的第一转动信息，并传输给仿真器1，达到变桨的自动控制。本实施例中，桨距角基于第一转动信息确定。
44.其中，第一传感器可包括速度传感器和/或角度传感器，本实施例对速度传感器、角度传感器的类型不做具体限定。
45.电动机32可以为伺服电机，但不限于此。
46.变桨控制过程可包括：plc主控器2根据第一传感器测量获得的当前控制周期中伺服电机的角度值与角速度计算值，按照角加速度设定值计算下一个控制周期应输出的角位移值，对角位移值和编码器反馈的伺服电机实际角位移差值进行pid运算得到角速度值，伺服驱动器31将角速度值转化为电压值(-10v～ 10v的电压)驱动伺服电机转动，伺服电机输出角速度后，经由减速器减速的角速度信号通过齿轮箱带动仿真器1模拟的桨叶转动，进行变桨。
47.通过偏航执行机构4应对风向变化，使得风力发电机组在运行状态能够获得最佳的气动功率捕获。
48.参见图2，偏航执行机构4可包括步进驱动电机41，plc主控器2根据风向信息，发送偏航控制命令给步进驱动电机41，从而通过步进驱动电机41追踪风向表征迎风面的保证。其中，步进驱动电机41的转动范围为360
°
。
49.进一步地，偏航执行机构4还可包括第二传感器，该第二传感器测量步进驱动电机41的输出轴的第二转动信息，并传输给仿真器1，达到偏航的自动控制。本实施例中，机舱偏航角度基于第二转动信息确定。
50.其中，第二传感器可包括速度传感器和/或角度传感器，本实施例对速度传感器、角度传感器的类型不做具体限定。
51.偏航控制过程可包括：plc主控器2根据风向信息给步进驱动电机41发出顺时针或逆时针的偏航控制命令，驱动步进驱动电机41的运转，为了减少偏航时的陀螺力矩，步进驱动电机41将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动仿真器1模拟的风轮偏航对风，当完成偏航对风后，步进驱动电机41停止工作，偏航控制过程结束。
52.本实施例中，仿真器1对机械模型进行模拟控制，获得风力发电机组的动态特性数据，并将动态特性数据传输给plc控制器。plc控制器会将动态特性数据中的电能数据传输给变流器系统6，由变流器系统6根据电能数据进行供电模拟，并输出风力发电机组的转矩信号给仿真器1。
53.其中，动态特性数据可为诸如气动特性、载荷特性、功率特性、转子转速等数据。
54.针对海上风力发电机组，仿真器1还需模拟风力发电机组的运行环境载荷，主要包括风、波浪、流、风机重力等种因素的耦合，在这些因素的空间分布上，水面以上的塔架、轮毂、机舱、叶片主要承受风的影响，塔架浸水部分承受波浪和流的影响。这些环境因素的分布、已经对风力发电机组所造成的载荷特征都是分析海上风力发电机组的控制系统载荷特性和动态性能的关键组成部分。在风浪流载荷运行状态下，风浪流之间的耦合关系可以参考实际风力发电机组运行的scada数据库。根据scada数据库，分析出风浪流之间的关系，风速是由激光雷达5实际测得的，浪流数值可以通过测试的风速数据得到，浪流数据可以在仿真器(bladed或者fast)等工具中进行模拟。例如，湍流强度的设定范围为8％～20％，湍流强度在设定范围内的变化为2％；对于海浪特征，风力发电机组静水位为30m，认为海流是被设定为均匀流动的从0.3m/s到2m/s不等，波周期的设定为0.4s、0.5s、0.75s、1s和1.25s。
55.plc主控器2与仿真器1通过pvi通信，该通信功能可以实现变量的交换。
56.参见图3，变流器系统6可包括通信电路61、变流器控制电路62变流器驱动电路63以及rt box平台64，其中，plc主控器2还经通信电路61与变流器控制电路62通信连接，变流器控制电路62经变流器驱动电路63与rt box平台64通信连接。
57.在本实施例中，rt box平台64模拟风力发电机组的变流器的igbt模块以及电网平台，仿真器1对机械模型进行模拟控制，获得风力发电机组的动态特性数据。动态特性数据依次经plc主控器2、通信电路61、变流器控制电路62以及变流器驱动电路63后，输入rt box平台64，经igbt模块处理后，模拟对电网平台供电。
58.rt box平台64还根据动态特性数据中的风力发电机组的转速信息，确定风力发电机组的转矩信号。
59.需要说明的是，rt box平台64模拟风力发电机组的变流器的igbt模块以及电网平
台、模拟对电网平台供电，上述过程可以采用现有程序实现。
60.rt box电子电力半实物仿真平台可以为plecs rt box半实物仿真器，其针对电子电力应用，配备丰富的数字和模拟接口以及集成fpga的运算模块，在硬件在环和快速控制原型测试中可以快速处理实时模型。
61.本实施例的rt box平台64能够对变流器散热进行分析。
62.参见图4，仿真器1可模拟直接驱动永磁同步发电机(pmsm，permanent-magnet synchronous motor)将风力发电机组的机械能转换为电能，再经过一个背靠背变流器(包括机侧变流器和网侧变流器)将永磁同步发电机发出的频率和幅值不稳定的交流电变换成与电网电压频率和幅值相同的交流电并入电网。
63.变流器控制电路62可包括dsp(digital signal processing，数字信号处理)、fpga(field programmable gate array，现场可编程逻辑门阵列)和arm(advanced risc machines，risc微处理器)，其中，dsp负责算法和控制，fpga负责逻辑和时序控制，arm负责对dsp多个任务进行调度。
64.参见图5，变流器控制电路62可包括控制电路板和外围电路板，控制电路板和外围电路板通过插针进行连接，实现控制电路板和外围电路板之间的可拆卸连接。如图5所示，控制电路板的四周分别设有插针，可拆卸连接外围电路板的不同模块。
65.控制电路板可包括主控模块、高精度adc模块、高精度dac模块、电平转换模块、拨码开关、led指示灯、片外存储器等。其中，主控模块采用dsp、fpga以及arm组合的结构。adc模块和dac模块分别负责将模拟信号转化为数字信号和数字信号转化为模拟信号，电平转换模块主控模块1.8v、3.3v与外围电路板5v之间双向电平转换，拨码开关包括启动模式选择和地址选择，led指示灯电源电压指示和控制信号指示，片外存储器数据外部存储。
66.外围电路板采集电压、电流、温度等信号，经过调理滤波后分别送入控制电路板的adc模块和主控模块的adc模块，进行数模数据转换，最后信号传输给dsp进行处理。其中，外围电路板可包括电源接口、母版电源模块、数模转换模块、负载电流采样模块、直流电压采样模块、交流电压采样模块、桥臂电流采样模块、温度采样模块、温度采样调理模块、电压过零检测模块、硬件保护模块、上位机通讯模块、光纤接口模块等。
67.其中，plc主控器2与通信电路之间可通过profibus dp通信接口实现通信，通信电路与变流器控制电路62之间可通过can通信接口实现通信。应当理解地，plc主控器2与通信电路之间、通信电路与变流器控制电路62之间也可采用其他通信方式。
68.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。