[发明专利]一种风力发电机组半物理实时仿真平台

说明书

技术领域

本发明属于清洁能源技术领域，特别涉及一种风力发电机组半物理实时仿真平台。

背景技术

风能技术是一项高新技术，它涉及到气象学、空气动力学、结构力学、计算机技术、电子控制技术、材料学、化学、机电工程、电气工程、环境科学等十几个学科和专业，是一项系统技术。恶劣的环境和环境的多变性都对大型风电技术的提出很高的要求。此外，大型风电发电并网的技术还在完善中，一系列的问题还在制约大型风电技术的发展。

风力发电目前最急需解决的问题是风电机组的安全性和稳定性问题。然而，自然界的风向和风速都是随时随机变化的，风机的调节装置虽然可以根据风向和风速调整，但在速度上始终是滞后的，并不能完全满足风电机平稳发电的需要，从而影响到风电机输出功率的稳定，严重时就会造成风机脱网，造成电网的不稳定，而且还有可能造成风机控制装置和机械部件的损坏烧毁。这对风电机组的控制系统提出了很高的要求，必须提高控制系统的可靠性。而提高控制系统的可靠性最有效的方法就是，控制器在设计完成后必须进行测试。然而，直接连接风机进行测试不仅可能损坏风机，而且无法测试极端工况下风机的状态。因此需要搭建一个能够模拟真实风机特性的仿真系统来验证控制器。

风力发电机组半物理仿真的研究，主要采用两种方法。一种方法是快速控制原型仿真(Rapid control prototyping，RCP)，另外一种方法是硬件在环仿真(Hardware-in-the-loop Simulation，HILS)。

在快速控制原型仿真系统（RCP）中，控制算法采用实时仿真平台进行模拟，全部或部分真实的被控对象参与测试。此方法已经广泛地应用在系统设计初期阶段，由于开发方便，很容易验证开发方向的正确性，可以将控制算法开发中的错误及不当之处消除于设计初期，使设计修改费用减至最小。

在硬件在环仿真系统（HILS）中，将全部或部分被控对象用高速运行的实时仿真模型来代替，而控制系统则采用真实的控制器。仿真模型通过I/O接口与被测的真实控制器相连接，对被测的控制器进行全方面的、系统的测试，对控制系统的控制策略、控制功能及系统可靠性等进行测试和评估，使得控制器在进行真实机组测试之前就能够进行全面的闭环测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机组半物理实时仿真平台，其特征在于，该仿真平台主要由上位机监控界面、风力发电机组仿真系统、控制器仿真系统、变流控制器和变桨系统组成，其中，上位机通过以太网分别与风力发电机组仿真系统和控制器仿真系统连接；风力发电机组仿真系统、控制器仿真系统以及变流控制器之间均采用I/O接口连接，控制器仿真系统与变桨系统通过Profibus总线通讯，变桨系统中的变桨控制器和变桨电机也采用I/O接口连接。

所述风力发电机组仿真系统是风机硬件在环仿真系统，由风机的机械模型、电气模型和实时操作系统组成；其中，实时操作系统即嵌入式实时操作系统，当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。

所述风机的机械模型主要包括风速、风涡轮和传动链。

所述电气模型包括发电机、背靠背变流器、变压器、输电线路和电网。

所述控制器仿真系统由主控模型和实时操作系统组成，该仿真系统是风机快速控制原型仿真系统，主要负责主控、偏航的建模和仿真，实现不同控制器模型的下载验证；控制器仿真系统通过I/O接口与风力发电机组仿真系统进行数据交换，从而实现整个风机系统的实时仿真；控制器模型仿真系统通过Profibus总线与实际的变桨控制器的PLC进行通讯，调节桨距角并且监控变桨系统运行状态。

所述风力发电机组仿真系统和控制器仿真系统的硬件平台均支持低速、高速、总线板卡的多种灵活配置和选择，可以根据需求灵活调整仿真系统的功能及性能，发挥模块化、插件化、分布式设计的优势，使仿真系统能够极为灵活、满足不断变化的需求。

所述风力发电机组仿真系统和控制器仿真系统支持Matlab/Simulink、LabView、StarSim等多种软件平台。

所述变流控制器通过对背靠背变流器的控制，实现风机的空载、并网、以及并网后的最大功率追踪、有功和无功的解耦控制。

所述变流控制器的硬件平台是一个CPU+FPGA的硬件架构，支持低速、高速板卡的多种灵活配置和选择，可以根据需求灵活调整变流控制器的功能及性能。