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風(fēng)機(jī)主控半實(shí)物仿真測試平臺設(shè)計(jì)

2020-05-16 07:51劉翠翠魯效平關(guān)中杰
實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2020年2期
關(guān)鍵詞:實(shí)物風(fēng)機(jī)控制器

劉翠翠, 魯效平, 關(guān)中杰

(山東中車風(fēng)電有限公司風(fēng)電裝備研究所,濟(jì)南250022)

0 引 言

近年來由于風(fēng)機(jī)現(xiàn)場事故頻發(fā)和維護(hù)成本增加的問題[1],使得如何在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用半實(shí)物仿真技術(shù)對故障多發(fā)部件的功能和可靠性進(jìn)行測試成為當(dāng)前業(yè)內(nèi)亟待解決的問題之一。半實(shí)物仿真技術(shù),又稱硬件在環(huán)(Hardware In the Loop,HIL)仿真技術(shù),是指在仿真試驗(yàn)回路中接入部分實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)[2]。HIL仿真測試是風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)開發(fā)中非常重要的一環(huán),廣泛應(yīng)用在控制策略開發(fā)、算法測試、硬件測試、現(xiàn)場優(yōu)化維護(hù)及機(jī)組認(rèn)證中[3]。丹麥、德國和荷蘭等國家的風(fēng)電行業(yè)都有較為成熟的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真平臺,可用來進(jìn)行元件的開發(fā)測試。近年來,國內(nèi)的風(fēng)電半物理仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)也有了很大發(fā)展,北京交通大學(xué)開發(fā)了一套以dSPACE為核心的風(fēng)電機(jī)組控制算法半實(shí)物仿真平臺,但dSPACE成本昂貴,難以大規(guī)模應(yīng)用[4-5]。東南大學(xué)曾基于xPC技術(shù)開發(fā)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)半實(shí)物測試平臺,但xPC的擴(kuò)展性有限,難以匹配真實(shí)風(fēng)機(jī)上的大量接口[6]。

在充分考慮成本、擴(kuò)展性的基礎(chǔ)上,本文開發(fā)了一套以風(fēng)機(jī)主控為核心的半實(shí)物仿真測試平臺,其中,風(fēng)機(jī)主控可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變槳、偏航等控制;半實(shí)物仿真技術(shù)可完成風(fēng)電整機(jī)和關(guān)鍵部件的仿真測試,風(fēng)電機(jī)組模型采用Matlab模塊化編寫,能夠靈活修改和擴(kuò)展,且信號調(diào)理能對信號進(jìn)行分類、簡化和調(diào)整。

1 仿真總體設(shè)計(jì)

半實(shí)物風(fēng)電仿真測試平臺能對整機(jī)和關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真測試,并可模擬風(fēng)機(jī)在不同環(huán)境下的運(yùn)行情況[7]。利用其運(yùn)行特性,不僅可實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的全面測試,還能縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本[8]。半實(shí)物仿真測試平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真測試平臺總體結(jié)構(gòu)圖

仿真測試平臺主要包括5部分:上位機(jī)、目標(biāo)實(shí)時(shí)平臺、控制器、I/O接口和人機(jī)界面。

上位機(jī):構(gòu)建與生成仿真模型,采用PC V260SR;

目標(biāo)實(shí)時(shí)平臺(下位機(jī)):實(shí)時(shí)運(yùn)行風(fēng)機(jī)仿真模型,采用某品牌C5120型工控機(jī);

主控制器:實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)變槳、齒輪箱、液壓站、偏航等控制,選用某品牌CPU-CX2020型控制器;

I/O接口:用于信號收發(fā)與轉(zhuǎn)換,采用相應(yīng)型號的接口;

人機(jī)界面:采用Matlab GUI編寫。

該平臺技術(shù)原理主要包括3部分:風(fēng)機(jī)的Matlab建模、HIL平臺構(gòu)建、測試軟件GUI。上位機(jī)中采用Matlab/Simulink、Visual Studio建立風(fēng)機(jī)仿真模型以及GUI操作界面,利用模型實(shí)時(shí)代碼轉(zhuǎn)換技術(shù)將仿真模型轉(zhuǎn)化為代碼,并將代碼下載到目標(biāo)實(shí)時(shí)平臺,同時(shí)載入測試工況,完成對控制器的測試。GUI可監(jiān)控測試過程及后處理操作,并利用高速I/O接口保證測試的實(shí)時(shí)性。

1.1 風(fēng)機(jī)模型開發(fā)

半實(shí)物仿真測試平臺中上位機(jī)利用Matalb建立風(fēng)機(jī)的仿真模型,并利用Matlab/Simulation和Twincat3的模型實(shí)時(shí)代碼轉(zhuǎn)換技術(shù),將模型自動轉(zhuǎn)換為在HIL系統(tǒng)上運(yùn)行的實(shí)時(shí)代碼,以保證系統(tǒng)測試的實(shí)時(shí)性,測試步長<10 ms。圖2為整機(jī)模型構(gòu)成。

圖2 整機(jī)模型構(gòu)成

本文采用柔性多體動力學(xué)方法對機(jī)組進(jìn)行建模,該方法不僅便于數(shù)值計(jì)算,還特別適用于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真測試[9]。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)狀態(tài)空間方程的建立主要有3步。

(1)柔性多體動力學(xué)建模。如圖3所示,將風(fēng)機(jī)分為13個(gè)桿單元(可增減),其中每個(gè)桿單元之間的結(jié)構(gòu)柔性通過采用帶剛度和阻尼的萬向連接表示。

圖3 風(fēng)機(jī)多體動力學(xué)建模桿單元示意圖

由圖3右圖的桿單位為例,由質(zhì)心動量定理、動量矩定理可得桿單元的質(zhì)心動力學(xué)公式:

式中:m為桿單元質(zhì)量;xs為質(zhì)心處位移量;Fa為桿單元a點(diǎn)的作用力;ras為a點(diǎn)與桿單元質(zhì)心的距離;Ma為作用在a點(diǎn)上的力矩;Fb為桿單元b點(diǎn)的作用力;rsb為b點(diǎn)與桿單元質(zhì)心的距離;Mb為作用在b點(diǎn)上的力矩;Fext為施加在桿單元上的外部力;rse為桿單元質(zhì)心到Fext作用點(diǎn)的距離;Mext為外部輸入力矩;J為桿單元相對質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量值;w為桿單元旋轉(zhuǎn)角速度。

根據(jù)多體動力學(xué)原理,桿單元質(zhì)心s處的加速度可由a點(diǎn)加速度及桿單元的旋轉(zhuǎn)角速度w計(jì)算得到,即:

又a點(diǎn)力矩可由該處的剛度c及阻尼鉸d(其中φ為桿單元鉸接角度)計(jì)算得到:

(2)進(jìn)行雅克比線性化處理。此步驟是為得到便于控制的風(fēng)電機(jī)組多體動力學(xué)模型。通過在固定步長點(diǎn)處進(jìn)行一階泰勒展開,以提高非線性模型泰勒展開的精度[10]。

假定工作點(diǎn)a處有恒定的力和力矩作用在桿單元上,給角速度、角加速度及鉸接點(diǎn)處位移一個(gè)偏量,在此進(jìn)行相應(yīng)的線性化,即:

令Gw(r,w0)=grad(Mx(Mx(r)w)w)可知桿單元的狀態(tài)空間方程:

(3)進(jìn)行多葉片坐標(biāo)系的變換。為消除對風(fēng)輪轉(zhuǎn)角的依賴,模型中引入多葉片坐標(biāo)系的變換,以提高模型計(jì)算的實(shí)時(shí)性[11-12]。

輸入、輸出變量在物理坐標(biāo)系(123)與多葉片坐標(biāo)系(osc)之間的變換式:

式中:T為坐標(biāo)變換矩陣;st為狀態(tài)變量之間的變換;in為輸入變量,out為輸出變量。得到系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程[13-14]:

1.2 控制模型建立

風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)以PLC為核心,當(dāng)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)定狀態(tài)不一致時(shí),經(jīng)過PLC的計(jì)算與處理,通過控制器發(fā)出控制指令,將系統(tǒng)調(diào)整至設(shè)定的運(yùn)行狀態(tài),完成各種控制功能。以某1.5 MW變速變槳風(fēng)機(jī)為例(額定風(fēng)速9.5 m/s,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速9.8 ~15.5 r/min),機(jī)組的核心控制策略是轉(zhuǎn)矩控制和變槳控制,小于額定風(fēng)速時(shí),機(jī)組通過轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)最大能量捕獲,在額定風(fēng)速以上,通過變槳控制實(shí)現(xiàn)功率的恒定輸出。

如圖4所示,風(fēng)機(jī)根據(jù)風(fēng)況可分為4個(gè)運(yùn)行階段。

圖4 風(fēng)速-轉(zhuǎn)速曲線

階段1恒轉(zhuǎn)速階段,風(fēng)速較小時(shí),通過風(fēng)機(jī)控制器調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩值,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在轉(zhuǎn)速下限值;

階段2Cp恒定區(qū),該區(qū)域內(nèi)機(jī)組受給定的功率-轉(zhuǎn)速曲線控制,一般使機(jī)組運(yùn)行在最佳葉尖速比值,以便最大程度地捕獲風(fēng)能。

階段3恒轉(zhuǎn)速階段,該區(qū)域隨著風(fēng)速增大,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定,功率持續(xù)上升。

階段4當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí),機(jī)組通過調(diào)節(jié)槳距角使機(jī)組輸出功率值穩(wěn)定在額定值附近。

2 系統(tǒng)測試

半實(shí)物仿真平臺搭建完成后的實(shí)物圖如圖5所示。圖中①為上位機(jī);②為目標(biāo)實(shí)時(shí)平臺(仿真機(jī));③為控制器原型;④為信號調(diào)理電路;⑤為按鈕指示燈面板。

2.1 測試流程

以某1.5 MW機(jī)組為例,測試流程主要包括以下4步。

(1)模型初始化。定義風(fēng)機(jī)各元件的參數(shù),如葉片翼型、塔身結(jié)構(gòu)參數(shù)等。

(2)測試工況設(shè)定。選擇風(fēng)機(jī)測試工況或定制測試工況。該工況在Matlab環(huán)境下設(shè)計(jì),可轉(zhuǎn)化為TwinCAT3環(huán)境中輸入,繼而進(jìn)行實(shí)時(shí)測試。

(3)測試流程監(jiān)控。顯示多個(gè)風(fēng)機(jī)測試工況在隊(duì)列中的運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)機(jī)三維動畫顯示以及測試信號的實(shí)時(shí)顯示。

(4)后處理及性能評估。信號求平均、求最大最小值、功率譜分析、雨流計(jì)數(shù)、生成測試報(bào)告等。

測試界面如圖6所示。

圖5 半實(shí)物仿真平臺實(shí)物圖

圖6 測試界面圖

2.2 測試結(jié)果

半實(shí)物仿真測試平臺能夠模擬IEC61400-1中規(guī)定的所有運(yùn)行情況,并根據(jù)測試需求定制工況;也可模擬機(jī)組遇到的大部分故障工況。下面將對1.5MW機(jī)組的幾種典型工況進(jìn)行模擬分析。

(1)陣風(fēng)工況。利用仿真測試平臺模擬機(jī)組變槳系統(tǒng)在極限陣風(fēng)工況下的響應(yīng)過程。在仿真實(shí)驗(yàn)不同工作點(diǎn)設(shè)定極端陣風(fēng),通過監(jiān)測風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、功率信號、葉片載荷及塔頂加速度信號,評估風(fēng)機(jī)變槳控制對陣風(fēng)的響應(yīng)。

測試結(jié)果如圖7所示。圖中紅色線為設(shè)定上、下限值。結(jié)果顯示該工況沒有觸發(fā)停機(jī),也沒有超過葉片的設(shè)計(jì)極限載荷,塔頂加速度也在設(shè)定范圍內(nèi),說明變槳系統(tǒng)可適應(yīng)風(fēng)場的極端工作環(huán)境。

(2)故障工況。仿真中設(shè)置單葉片失控故障(葉片1失控,向0°快速變槳),通過監(jiān)控相關(guān)變量,評估控制器在該故障工況下的響應(yīng)。測試結(jié)果如圖8所示。

圖7 陣風(fēng)工況測試結(jié)果

圖8 故障工況測試結(jié)果

測試結(jié)果顯示,葉片1失控,快速向0°變槳,觸發(fā)風(fēng)機(jī)故障停機(jī),其后另外兩葉片向90°收槳,機(jī)組風(fēng)輪并無超速,塔架和葉片的載荷也在設(shè)計(jì)載荷內(nèi),最大塔頂加速度在設(shè)定范圍內(nèi)變化。仿真平臺模擬了風(fēng)機(jī)在單葉片失控的情況下觸發(fā)停機(jī)的整個(gè)過程,并驗(yàn)證了在葉片失控故障下風(fēng)機(jī)控制器的有效性。

3 結(jié) 語

本文中設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)主控半實(shí)物仿真測試平臺,可實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電整機(jī)及關(guān)鍵部件的仿真測試。該風(fēng)機(jī)模型以多體動力學(xué)為主,包含了大量來自現(xiàn)場測試的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和修正系數(shù),在提高模型精度的同時(shí)采用Matlab/Simulation和Twincat3的模型實(shí)時(shí)代碼轉(zhuǎn)換技術(shù)保證了模型的實(shí)時(shí)性。另外平臺基于Matlab開發(fā),更適合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),且模塊化編程,易于后期擴(kuò)展[15]。

通過對典型工況進(jìn)行的仿真測試,驗(yàn)證了風(fēng)機(jī)主控半實(shí)物仿真測試平臺的有效性,同時(shí)該平臺具有實(shí)時(shí)性好、易擴(kuò)展的特點(diǎn),可大大縮短開發(fā)周期,減少研發(fā)成本,提高風(fēng)機(jī)質(zhì)量和可靠性。

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