摘 要 近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不斷巨型化，變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用最為廣泛，進(jìn)而對(duì)變速變槳整機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性提出了更高要求。文章采用權(quán)威風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真軟件GH bladed獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)ADS通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型與PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，形成系統(tǒng)的閉環(huán)仿真，驗(yàn)證控制策略對(duì)風(fēng)機(jī)變槳、變速控制的穩(wěn)定性、可靠性。文章將風(fēng)機(jī)的控制算法直接運(yùn)行在PLC中，采用ADS通訊協(xié)議，與Bladed軟件中的風(fēng)機(jī)模型直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)控制算法與模型的閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真。

關(guān)鍵詞 Bladed模型；ADS通訊；風(fēng)電控制算法

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0198-03

1 設(shè)計(jì)中心思想

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)連續(xù)隨機(jī)的非線性多變量系統(tǒng)，直接模型建立比較困難。通常風(fēng)機(jī)技術(shù)人員采用GH bladed軟件對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模，同時(shí)運(yùn)用C，C++等高級(jí)語(yǔ)言編寫控制算法，在運(yùn)行bladed軟件時(shí)加載外部控制算法文件，然后給變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)輸入模擬變速風(fēng)速進(jìn)行仿真研究。這種方法，要求風(fēng)機(jī)控制開(kāi)發(fā)人員具有一定的高級(jí)語(yǔ)言編程能力，更要求工作人員有較高的調(diào)試水平。本文采用ADS通訊協(xié)議的硬件閉環(huán)仿真方法建立了完整的仿真模型，并且簡(jiǎn)化了風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段對(duì)PID控制參數(shù)的整定過(guò)程，該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 GH Bladed軟件

GH Bladed軟件的功能如下：①提供多種外部控制器接口，可以使用戶自定義*.dll或*.exe文件；②提供多種電網(wǎng)連接模型，可以模擬各種風(fēng)況、外界環(huán)境等；③軟件功能強(qiáng)大：可以進(jìn)行模態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)性能和載荷計(jì)算、各種工況下的時(shí)域動(dòng)態(tài)載荷和響應(yīng)等等的分析；④完善的硬件測(cè)試模塊，通過(guò)物理接口，對(duì)控制器硬件和其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件進(jìn)行測(cè)試和試運(yùn)行。

Bladed軟件共提供了13個(gè)部分的相關(guān)選項(xiàng)，其中參數(shù)設(shè)置分為風(fēng)機(jī)參數(shù)和外部環(huán)境參數(shù)二部分。在進(jìn)行閉環(huán)仿真之前需要對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模，同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的仿真參數(shù)，通過(guò)調(diào)用、自定義或修改模型參數(shù)后，選擇計(jì)算內(nèi)容并進(jìn)行計(jì)算，之后通過(guò)數(shù)據(jù)觀察分析進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2 Hardware Test

在采用GH bladed軟件對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模時(shí)通過(guò)Control選項(xiàng)按鈕加載外部控制算法文件，通過(guò)Bladed軟件的Wind選項(xiàng)建立不同的風(fēng)速模型，然后給變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)輸入模擬變速風(fēng)速進(jìn)行仿真研究。同時(shí)，通過(guò)軟件Hardware TEST選項(xiàng)可進(jìn)行風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件閉環(huán)仿真，Hardware Test包含了計(jì)算和仿真兩部分，通過(guò)系統(tǒng)的批處理任務(wù)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理、圖表輸出。通過(guò)圖表輸出可以直觀的對(duì)控制算法的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行分析。本文采用GH Bladed軟件提供的2MW雙饋異步風(fēng)機(jī)為模型進(jìn)行系統(tǒng)的硬件閉環(huán)系統(tǒng)仿真。

1.3 ADS通訊協(xié)議說(shuō)明

ADS（Automation Device Specification）即自動(dòng)化設(shè)備規(guī)范，它為設(shè)備之間的通訊提供路由。在整個(gè)仿真系統(tǒng)中，各個(gè)軟件模塊，如PLC、在Windows操作系統(tǒng)上運(yùn)行的GH Bladed應(yīng)用程序等的工作模式類似于硬件設(shè)備，它們能夠獨(dú)立工作。各個(gè)軟件模塊之間的信息交換通過(guò)ADS完成。在PC和PLC控制器中都包含信息路由器，因此各個(gè)ADS設(shè)備之間都能夠交換數(shù)據(jù)和信息。

2 風(fēng)機(jī)整體控制策略設(shè)計(jì)

本文采用變槳變速控制，將整個(gè)過(guò)程分為額定風(fēng)速以下和額定風(fēng)速以上兩個(gè)部分，采用扭矩控制和變槳控制耦合的方式，即在額定風(fēng)速以上到達(dá)拐點(diǎn)時(shí)，如果風(fēng)速波動(dòng)很大，那么就要通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儤獊?lái)實(shí)現(xiàn)平滑的過(guò)渡。本文中重點(diǎn)討論在額定風(fēng)速以上階段，變速和變槳控制器同時(shí)發(fā)揮作用，通過(guò)變速即控制發(fā)電機(jī)的扭矩使其恒定，從而恒定功率。通過(guò)變槳來(lái)調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得其始終跟蹤轉(zhuǎn)速設(shè)置點(diǎn)。

變速變槳控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，在變速（扭矩）控制中，輸入?yún)?shù)為發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速以及目標(biāo)轉(zhuǎn)速（目標(biāo)轉(zhuǎn)速根據(jù)發(fā)電機(jī)的不同狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定），輸出為發(fā)電機(jī)扭矩指令；在變槳控制（耦合了變速控制）中，輸入為扭矩指令（由變速控制得到）和實(shí)際槳距角，輸出為變槳系統(tǒng)槳距角。

圖2 變速變槳風(fēng)機(jī)控制策略框圖

對(duì)于風(fēng)機(jī)主控PLC的功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①與機(jī)艙柜通訊，接收機(jī)艙信號(hào)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判斷發(fā)出偏航或液壓站工作信號(hào)；②與3個(gè)變槳柜進(jìn)行通訊，接收變槳控制器的信號(hào)，對(duì)變槳系統(tǒng)發(fā)送實(shí)時(shí)的控制信號(hào)控制槳葉動(dòng)作；③與變流系統(tǒng)通訊，根據(jù)不同的風(fēng)況對(duì)變流系統(tǒng)輸出扭矩要求，使發(fā)電機(jī)輸出功率保持最佳；④與中央監(jiān)控系統(tǒng)通訊，傳遞本機(jī)信息，并接收遠(yuǎn)程指令。

通常PLC作為風(fēng)機(jī)的核心控制單元，除了對(duì)風(fēng)機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控外，還需通過(guò)核心的控制算法對(duì)變槳系統(tǒng)和變流系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證風(fēng)機(jī)安全高效運(yùn)行。因此，本文將前面提到的控制算法采用ST高級(jí)文本結(jié)構(gòu)語(yǔ)言將變速變槳控制策略固化到PLC硬件中，結(jié)合GH Bladed提供的風(fēng)機(jī)模型和ADS通訊接口插件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)仿真。

3 基于ADS通訊的控制算法閉環(huán)仿真

本文通過(guò)Bladed軟件模擬出風(fēng)力發(fā)電機(jī)環(huán)境，對(duì)本文中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速變槳性能進(jìn)行測(cè)試。為了驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型對(duì)風(fēng)速變化的動(dòng)態(tài)相應(yīng)，取漸變風(fēng)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型風(fēng)速的輸入值。漸變風(fēng)分別取5～10米/秒漸變和10～23米/秒漸變。通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)可以直接接入硬件設(shè)備進(jìn)行控制。該仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了在不同工況下控制軟件流程的正確性。仿真圖形如圖3～圖6所示。

1）額定風(fēng)速以下：

圖3 額定風(fēng)速以下的風(fēng)速模型

圖4 額定風(fēng)速以下仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果endprint

對(duì)于變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，在額定風(fēng)速以下通過(guò)變流器可以控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。通過(guò)對(duì)主控PLC輸出的最小和最大發(fā)電機(jī)扭矩值的限定可以對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行限制。在圖4所示湍流風(fēng)條件下，在扭矩控制中，輸入為發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和希望轉(zhuǎn)速（最大允許轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速），輸出為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，并由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩計(jì)算發(fā)電機(jī)當(dāng)前給定的功率值，通過(guò)ADS通訊對(duì)GH Bladed中的風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。從仿真結(jié)果圖形中我們可以看出，風(fēng)機(jī)的槳距角始終處于槳距角的下限值0.2度，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨著風(fēng)速的變化而變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)能最大捕獲的控制。

2）額定風(fēng)速以上：

圖5 額定風(fēng)速以上的風(fēng)速模型

圖6 額定風(fēng)速以上仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

為了滿足風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性、降低載荷等要求，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)壽命、提高發(fā)電質(zhì)量，需要不斷的優(yōu)化轉(zhuǎn)矩PI控制的和槳距角PI控制的控制參數(shù)，同時(shí)兼顧發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速到滿功率過(guò)度階段的耦合關(guān)系，使用功率波動(dòng)更小，且輪轂及塔架所受力矩的波動(dòng)也減小。在圖6所示湍流風(fēng)條件下，本文所采用的硬件閉環(huán)仿真方法通過(guò)對(duì)PLC控制器中的控制參數(shù)不斷調(diào)整和優(yōu)化，均能將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在額定轉(zhuǎn)速附件，同時(shí)輸出功率控制在額定功率2.0 MW附近。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于ADS通訊的硬件閉環(huán)控制仿真系統(tǒng)，通過(guò)GH Bladed軟件建立了2 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)變速變槳控制算法，并把算法固化在PLC硬件中，并把PLC子模塊連接到GH Bladed風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型中，通過(guò)GH Bladed軟件中Hardware Test 功能模塊得出算法的仿真計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型和控制算法的有效性和正確性。在仿真過(guò)程中，通過(guò)輸入不同大小不斷變化的風(fēng)速值，在高于額定風(fēng)速時(shí)進(jìn)而使輸出的功率保持在一個(gè)額定功率，在低于額定風(fēng)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大功率追蹤控制，仿真過(guò)程通過(guò)反復(fù)調(diào)試并整定控制器的參數(shù)，使控制器的控制性能達(dá)到最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]謝賜戩.基于Bladed的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2008.

[2]張磊、孫映光、呂翔宙.基于Bladed軟件的風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）.

[3]敬維.基于GH Bladed和MATLAB的交互軟件及風(fēng)機(jī)的變槳控制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[4]何玉林、黃帥、蘇東旭，等.變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大風(fēng)能追蹤與槳距控制[J].控制工程，2012（3）.

[5]喻連喜、張金環(huán)、趙靜.風(fēng)電機(jī)組主控仿真測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].華電技術(shù)，2012（04）.

[6]孫國(guó)霞、李嘯驄、蔡義明.大型變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的建模與仿真[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2007（10）.

作者簡(jiǎn)介

姜攀（1982-），女，山東煙臺(tái)人，助講，研究生，研究方向：供用電技術(shù)、風(fēng)電控制。endprint

對(duì)于變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，在額定風(fēng)速以下通過(guò)變流器可以控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。通過(guò)對(duì)主控PLC輸出的最小和最大發(fā)電機(jī)扭矩值的限定可以對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行限制。在圖4所示湍流風(fēng)條件下，在扭矩控制中，輸入為發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和希望轉(zhuǎn)速（最大允許轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速），輸出為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，并由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩計(jì)算發(fā)電機(jī)當(dāng)前給定的功率值，通過(guò)ADS通訊對(duì)GH Bladed中的風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。從仿真結(jié)果圖形中我們可以看出，風(fēng)機(jī)的槳距角始終處于槳距角的下限值0.2度，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨著風(fēng)速的變化而變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)能最大捕獲的控制。

2）額定風(fēng)速以上：

圖5 額定風(fēng)速以上的風(fēng)速模型

圖6 額定風(fēng)速以上仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

為了滿足風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性、降低載荷等要求，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)壽命、提高發(fā)電質(zhì)量，需要不斷的優(yōu)化轉(zhuǎn)矩PI控制的和槳距角PI控制的控制參數(shù)，同時(shí)兼顧發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速到滿功率過(guò)度階段的耦合關(guān)系，使用功率波動(dòng)更小，且輪轂及塔架所受力矩的波動(dòng)也減小。在圖6所示湍流風(fēng)條件下，本文所采用的硬件閉環(huán)仿真方法通過(guò)對(duì)PLC控制器中的控制參數(shù)不斷調(diào)整和優(yōu)化，均能將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在額定轉(zhuǎn)速附件，同時(shí)輸出功率控制在額定功率2.0 MW附近。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于ADS通訊的硬件閉環(huán)控制仿真系統(tǒng)，通過(guò)GH Bladed軟件建立了2 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)變速變槳控制算法，并把算法固化在PLC硬件中，并把PLC子模塊連接到GH Bladed風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型中，通過(guò)GH Bladed軟件中Hardware Test 功能模塊得出算法的仿真計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型和控制算法的有效性和正確性。在仿真過(guò)程中，通過(guò)輸入不同大小不斷變化的風(fēng)速值，在高于額定風(fēng)速時(shí)進(jìn)而使輸出的功率保持在一個(gè)額定功率，在低于額定風(fēng)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大功率追蹤控制，仿真過(guò)程通過(guò)反復(fù)調(diào)試并整定控制器的參數(shù)，使控制器的控制性能達(dá)到最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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[2]張磊、孫映光、呂翔宙.基于Bladed軟件的風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）.

[3]敬維.基于GH Bladed和MATLAB的交互軟件及風(fēng)機(jī)的變槳控制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[4]何玉林、黃帥、蘇東旭，等.變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大風(fēng)能追蹤與槳距控制[J].控制工程，2012（3）.

[5]喻連喜、張金環(huán)、趙靜.風(fēng)電機(jī)組主控仿真測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].華電技術(shù)，2012（04）.

[6]孫國(guó)霞、李嘯驄、蔡義明.大型變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的建模與仿真[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2007（10）.

作者簡(jiǎn)介

姜攀（1982-），女，山東煙臺(tái)人，助講，研究生，研究方向：供用電技術(shù)、風(fēng)電控制。endprint

對(duì)于變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，在額定風(fēng)速以下通過(guò)變流器可以控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。通過(guò)對(duì)主控PLC輸出的最小和最大發(fā)電機(jī)扭矩值的限定可以對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行限制。在圖4所示湍流風(fēng)條件下，在扭矩控制中，輸入為發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和希望轉(zhuǎn)速（最大允許轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速），輸出為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，并由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩計(jì)算發(fā)電機(jī)當(dāng)前給定的功率值，通過(guò)ADS通訊對(duì)GH Bladed中的風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。從仿真結(jié)果圖形中我們可以看出，風(fēng)機(jī)的槳距角始終處于槳距角的下限值0.2度，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨著風(fēng)速的變化而變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)能最大捕獲的控制。

2）額定風(fēng)速以上：

圖5 額定風(fēng)速以上的風(fēng)速模型

圖6 額定風(fēng)速以上仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

為了滿足風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性、降低載荷等要求，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)壽命、提高發(fā)電質(zhì)量，需要不斷的優(yōu)化轉(zhuǎn)矩PI控制的和槳距角PI控制的控制參數(shù)，同時(shí)兼顧發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速到滿功率過(guò)度階段的耦合關(guān)系，使用功率波動(dòng)更小，且輪轂及塔架所受力矩的波動(dòng)也減小。在圖6所示湍流風(fēng)條件下，本文所采用的硬件閉環(huán)仿真方法通過(guò)對(duì)PLC控制器中的控制參數(shù)不斷調(diào)整和優(yōu)化，均能將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在額定轉(zhuǎn)速附件，同時(shí)輸出功率控制在額定功率2.0 MW附近。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于ADS通訊的硬件閉環(huán)控制仿真系統(tǒng)，通過(guò)GH Bladed軟件建立了2 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)變速變槳控制算法，并把算法固化在PLC硬件中，并把PLC子模塊連接到GH Bladed風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型中，通過(guò)GH Bladed軟件中Hardware Test 功能模塊得出算法的仿真計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型和控制算法的有效性和正確性。在仿真過(guò)程中，通過(guò)輸入不同大小不斷變化的風(fēng)速值，在高于額定風(fēng)速時(shí)進(jìn)而使輸出的功率保持在一個(gè)額定功率，在低于額定風(fēng)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大功率追蹤控制，仿真過(guò)程通過(guò)反復(fù)調(diào)試并整定控制器的參數(shù)，使控制器的控制性能達(dá)到最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

姜攀（1982-），女，山東煙臺(tái)人，助講，研究生，研究方向：供用電技術(shù)、風(fēng)電控制。endprint