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摘要： 本文提出基于德国倍福TWINCAT控制软件包，GH Bladed风电专用仿真软件以及实物对拖系统搭建的全工况测试平台用以开发相应风力发电机组机型主控控制软件，通过该测试平台应用能有效克服全实物系统测试困难以及全仿真系统不能实时等困难，为新机型主控系统开发提供了坚实可信的测试依据。
关键词： GH Bladed仿真; 发电机对拖系统; 风力发电机主控系统全工况仿真
中图分类号： TP15 文献标识码： A
Design of Hardware-in-the-loop Simulation Test Platform for all Condition
Wind Turbine Control System
LIU Hui， WANG Yun
（CSIC （Wuhan） Lingjiu electrical technology Co.，Ltd， Wuhan 430205， China）
Abstract： In this paper， based on Beckhoff PLC，GH Blade for wind power simulation software and the physical of the towing system of all condition test platform to develop the corresponding model wind turbine master control software， through the test platform can effectively overcome the physical system testing difficulties， as well as a real-time simulation system is not difficult， etc.， as a new type control system development provides a solid reliable testing basis.
Key words： GH Bladed simulation; generator towing system; WTC all condition simulation
1 引言
目前風电行业竞争激烈，各厂商不断推出新机型，并且单机容量日益扩张，这样对机组的设计制造，控制系统设计以及风电相关设备的安全性和开发速度成本提出了更高的要求[1]，而新机型的控制设计并不能简单的依靠现有机型移植代码，尤其是核心算法部分，不同的硬件传动链设备需要不同的控制策略，此时必须依靠整机仿真技术获取重要参数，并对机组控制系统进行仿真测试[2-3]。出于对现有机型继续深入研究优化工作以及新机型安全可靠开发的研制目的而提出建立风力发电机组全工况试验半实物仿真平台。
2 半实物风机主控系统仿真平台简介
传统离线式全仿真完全不受外界条件影响，投入成本低，一般情况下一台主流微型计算机以及仿真软件（如Matlab/Simulink）即可开展仿真工作，仿真模型和控制系统的开发均采用数字模型建立与求解的方法研究。由于风电设备的实验调试困难，因此该方法得到了广泛应用[4]。但是该仿真手段也存在致命弱点，离线不实时性，时间无法同步，难以建立完整可信的风机部件模型，一些出于实物和环境造成的影响，如：通信速率，环境温度，外界干扰等也无法实现，因此完全由仿真得出设计方案和控制算法难以使人满意[5]。
而采用半实物仿真手段由倍福PLC、风电专用GH Bladed仿真软件与发电机对拖平台互相配合搭建而成，虽相对成本较高，但具备如下优点：
（1）实时性，能反映设备和控制算法的实时时序性的效果;
（2）实物反馈信号，具备真实的反馈信号，如：转动惯量，摩擦力，环境对设备和控制的影响，控制信号的传输速率对仿真影响等;
（3）在线调试的便捷性;
（4）为大型变流器的研究提供试验平台，变流器的调试不可完全与主控系统脱离，二者之间必须形成一个闭环控制。
3 主控系统常规开发流程
开发新型机组必须首先建立相应的数学模型，以描述整台风机的动态行为，此模型应能描述整个机组所有的基本动力学特性，而且还必须适合于控制目的。风力发电机组模型的基本结构主要包括风能特性模型、结构动力学模型、风轮空气动力学、功率传动链、发电机的动态特性和执行器特性[6-7]。
常规主控制系统开发流程正常规划如下[8]：
4 半实物仿真系统结构以及功能
半实物仿真测试平台以Bladed软件建立风机控制模型，用以实现风机载荷分析，重要核心算法的参数获取。并且通过Bladed软件获取重要环节仿真模型，同时以Beckhoff的PLC软件控制为核心再加以异步电机模拟的风力机对拖发电机的平台，变桨电机装置平台，工控机检测系统，快速构建一个通用风机测试平台，利用Beckhoff控制系统与Bladed仿真测试软件无缝连接的优势，可以快捷的实现对主控系统算法的验证。同时也可以实现对风机各部分设备以及整体性能的测试。
该测试平台软件部分包括Bladed软件（建立风况仿真模型，传动链仿真模型，风机仿真模型等），Beckhoff硬件PLC设备驱动，仿真主控制软件。 硬件部分可分为以下几个部分：
* 拖动单元：模拟系统因风速变化而引起的转速变化;
* 控制单元：分析系统状态，控制系统运行，实现数据模拟;
* 并网发电单元：双馈发电机与并网变流器实现风机并网过程（如果采用双馈电机试验）;
* 测量单元：系统各信号采集传输到主控系统。
整套系统采用Blade软件中风速模型作为风况风速输入参考，控制交流异步电机变频调速系统来模拟现场风况、模拟风轮的转动，用异步电机转轴的转动情况模拟实际现场风轮机的转动以及现场风况风速不同时风力机轴的运转情况。通过对低速电动机的控制，来实现对风轮的模拟。模拟风力机需要实时计算风轮转矩，根据实时风速，风向信号以及发电机当前转速实时计算出模拟的风轮驱动转矩，然后将模拟的实时风轮转矩值作为转矩给定值输出给变频器控制电机，实现实时风力机模拟转矩输出。
5 仿真控制界面構成及功能
为了结合半实物仿真试验台的设计要求，还需编辑上位机仿真控制界面，可以采用VC++编写数据显示界面以及相关的AD采样的DA控制，或采用力控上位机软件编写操作界面。同时在编写界面上还能对各种仿真模型进行控制，如传入Bladed软件的风速模型，齿轮箱模型等。在仿真界面上，绘制了风力机三维动画，传入主控系统各种参数。控制界面上除了具有风力机控制的开机、并网、正常关机、紧急关机等功能外，还需提供控制策略的选择，如PID控制的比例、积分、微分环节的参数在变桨距控制过程中可以实时改变，以便选择最为合适的参数，确定好控制频率，系统按照此频率调用控制程序，完成控制算法的应用。
用户可按照Bladed软件编写格式的要求，实现外部控制器与Bladed软件实现数据交换，因此可利用这一接口与我们自行编写的界面进行数据交换。可通过以下三种方法与Bladed风机仿真模型相连已完成主控系统性能测试。
* 通过以太网连接
* 通过计算机内部直接交换数据
Bladed风机模型，Bladed软件，主控系统软件装在同一计算机内。
* 通过硬连接线直接连接
主控系统设计完成后还须完成以下仿真测试：故障状态码仿真、运行工况仿真测试、载荷减缓控制测试、振动测试与分析、启动并网测试、机组运行状态转换测试、偏航控制测试、功率控制测试、信息采集功能测试、故障信息记录测试、与变桨系统联调测试、与变频系统联调测试、与风场监控系统联调测试。
用C语言编写仿真状态，并获得Bladed 的控制状态，将程序编译后得到程序 caiLib.DLL，将此程序在Bladed中的控制部分进行定义：
在其中定义程序的路径 d：＼proland＼vbpro＼cailib＼debug＼cailib.dll，在External Controller Data中定义了2个参数，分别为Kp = 0.005和Ki = 0.002 ，点击OK。 在主计算页面中选择RunNow即可。
模拟运行结果如下：
6 硬件平台功能介绍
双异步电机对拖平台结构：两台鼠笼型异步电机（可根据实际机型更换），两台变频器，转速转矩传感器，联轴器飞轮。用一台变频器根据传动轴转速控制拖动异步电机的输出转矩，来完成模拟风轮转矩输出的目的。用另一台变频器控制一台异步电机模拟真实发电机，发电机变频器不接电网，而是将直流输出直接接入模拟风轮变频器的直流环节当中，对拖平台上安装有风轮以及转速转矩传感器，直流环节中安装有电压电流传感器。
利用模拟发电机的变频器和异步电机观察功率输出情况，研究发电机的控制方法对整机工作情况以及对系统的影响。同时监测对拖平台的转矩，转速，拖动电机输入电压，电流，发电机输出电压，电流，频率，直流环节的电压，电流等信号并向相关总线发送相应参数，实现环境情况启动，复位，停止等功能。同时可添加振动环节监测功能，为将来故障诊断提供一定技术支撑。
7 结束语
该测试平台能真实有效的宽范围模拟风力发电机运行转速，用户可根据需要调节拖动单元转速来达到模拟风速变化引起的发电机转速变化。通过开放式主控系统，用户可以根据自己的实验需求给定发电机转矩，通过变流系统控制双馈发电机的功率输出，达到变速恒频风力机组的并网发电等各过程各参数的实验研究。目前已通过国际风力发电机机组分析的权威软件Bladed仿真测试认证，使其结果更为真实可信。
参考文献：
[1]喻连喜，张全环，赵 静，等. 风电机组主控仿真测试系统的设计[J]. 华电技术， 2012， 34（4）： 73-75.
[2]郑艳文，苑国锋，柴建云，等. 大容量对拖式双馈电机试验系统[J]. 《清华大学学报（自然科学版）》， 2010，50（1）：28-31.
[3]赵南南，刘卫国，诸自强，等. 永磁无刷电机对拖系统仿真分析[J]. 微特电机， 2012， 40（4）： 25-28.
[4]尹潮鸿. 基于DSPACE的风机智能控制半实物仿真研究[D]. 北京：北京交通大学，2009.
[5]滕 飞. 基于双馈电机的风机动态模拟研究[D]. 合肥：合肥工业大学，2013.
[6]王明东，贾德峰，吕蒙琦. 基于Stateflow的风电机组主控系统设计与仿真[J]. 郑州大学学报， 2011， 32（2）： 114-116.
[7]高俊云，王首成. 风力发电机组的载荷特征及计算[J]. 机械工业与自动化，2012，3（1）：204-206.
[8]叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006.
作者简介：
刘 徽（1986-），男，硕士，工程师，主要研究方向：风力发电机控制系统，自动化控制的研究。
王 赟（1980-），女，硕士，高级工程师，主要研究方向：风力发电机控制系统，上位机系统，仿真系统算法的研究。
收稿日期：2019-04-26
关键词： GH Bladed仿真; 发电机对拖系统; 风力发电机主控系统全工况仿真
中图分类号： TP15 文献标识码： A
Design of Hardware-in-the-loop Simulation Test Platform for all Condition
Wind Turbine Control System
LIU Hui， WANG Yun
（CSIC （Wuhan） Lingjiu electrical technology Co.，Ltd， Wuhan 430205， China）
Abstract： In this paper， based on Beckhoff PLC，GH Blade for wind power simulation software and the physical of the towing system of all condition test platform to develop the corresponding model wind turbine master control software， through the test platform can effectively overcome the physical system testing difficulties， as well as a real-time simulation system is not difficult， etc.， as a new type control system development provides a solid reliable testing basis.
Key words： GH Bladed simulation; generator towing system; WTC all condition simulation
1 引言
目前風电行业竞争激烈，各厂商不断推出新机型，并且单机容量日益扩张，这样对机组的设计制造，控制系统设计以及风电相关设备的安全性和开发速度成本提出了更高的要求[1]，而新机型的控制设计并不能简单的依靠现有机型移植代码，尤其是核心算法部分，不同的硬件传动链设备需要不同的控制策略，此时必须依靠整机仿真技术获取重要参数，并对机组控制系统进行仿真测试[2-3]。出于对现有机型继续深入研究优化工作以及新机型安全可靠开发的研制目的而提出建立风力发电机组全工况试验半实物仿真平台。
2 半实物风机主控系统仿真平台简介
传统离线式全仿真完全不受外界条件影响，投入成本低，一般情况下一台主流微型计算机以及仿真软件（如Matlab/Simulink）即可开展仿真工作，仿真模型和控制系统的开发均采用数字模型建立与求解的方法研究。由于风电设备的实验调试困难，因此该方法得到了广泛应用[4]。但是该仿真手段也存在致命弱点，离线不实时性，时间无法同步，难以建立完整可信的风机部件模型，一些出于实物和环境造成的影响，如：通信速率，环境温度，外界干扰等也无法实现，因此完全由仿真得出设计方案和控制算法难以使人满意[5]。
而采用半实物仿真手段由倍福PLC、风电专用GH Bladed仿真软件与发电机对拖平台互相配合搭建而成，虽相对成本较高，但具备如下优点：
（1）实时性，能反映设备和控制算法的实时时序性的效果;
（2）实物反馈信号，具备真实的反馈信号，如：转动惯量，摩擦力，环境对设备和控制的影响，控制信号的传输速率对仿真影响等;
（3）在线调试的便捷性;
（4）为大型变流器的研究提供试验平台，变流器的调试不可完全与主控系统脱离，二者之间必须形成一个闭环控制。
3 主控系统常规开发流程
开发新型机组必须首先建立相应的数学模型，以描述整台风机的动态行为，此模型应能描述整个机组所有的基本动力学特性，而且还必须适合于控制目的。风力发电机组模型的基本结构主要包括风能特性模型、结构动力学模型、风轮空气动力学、功率传动链、发电机的动态特性和执行器特性[6-7]。
常规主控制系统开发流程正常规划如下[8]：
4 半实物仿真系统结构以及功能
半实物仿真测试平台以Bladed软件建立风机控制模型，用以实现风机载荷分析，重要核心算法的参数获取。并且通过Bladed软件获取重要环节仿真模型，同时以Beckhoff的PLC软件控制为核心再加以异步电机模拟的风力机对拖发电机的平台，变桨电机装置平台，工控机检测系统，快速构建一个通用风机测试平台，利用Beckhoff控制系统与Bladed仿真测试软件无缝连接的优势，可以快捷的实现对主控系统算法的验证。同时也可以实现对风机各部分设备以及整体性能的测试。
该测试平台软件部分包括Bladed软件（建立风况仿真模型，传动链仿真模型，风机仿真模型等），Beckhoff硬件PLC设备驱动，仿真主控制软件。 硬件部分可分为以下几个部分：
* 拖动单元：模拟系统因风速变化而引起的转速变化;
* 控制单元：分析系统状态，控制系统运行，实现数据模拟;
* 并网发电单元：双馈发电机与并网变流器实现风机并网过程（如果采用双馈电机试验）;
* 测量单元：系统各信号采集传输到主控系统。
整套系统采用Blade软件中风速模型作为风况风速输入参考，控制交流异步电机变频调速系统来模拟现场风况、模拟风轮的转动，用异步电机转轴的转动情况模拟实际现场风轮机的转动以及现场风况风速不同时风力机轴的运转情况。通过对低速电动机的控制，来实现对风轮的模拟。模拟风力机需要实时计算风轮转矩，根据实时风速，风向信号以及发电机当前转速实时计算出模拟的风轮驱动转矩，然后将模拟的实时风轮转矩值作为转矩给定值输出给变频器控制电机，实现实时风力机模拟转矩输出。
5 仿真控制界面構成及功能
为了结合半实物仿真试验台的设计要求，还需编辑上位机仿真控制界面，可以采用VC++编写数据显示界面以及相关的AD采样的DA控制，或采用力控上位机软件编写操作界面。同时在编写界面上还能对各种仿真模型进行控制，如传入Bladed软件的风速模型，齿轮箱模型等。在仿真界面上，绘制了风力机三维动画，传入主控系统各种参数。控制界面上除了具有风力机控制的开机、并网、正常关机、紧急关机等功能外，还需提供控制策略的选择，如PID控制的比例、积分、微分环节的参数在变桨距控制过程中可以实时改变，以便选择最为合适的参数，确定好控制频率，系统按照此频率调用控制程序，完成控制算法的应用。
用户可按照Bladed软件编写格式的要求，实现外部控制器与Bladed软件实现数据交换，因此可利用这一接口与我们自行编写的界面进行数据交换。可通过以下三种方法与Bladed风机仿真模型相连已完成主控系统性能测试。
* 通过以太网连接
* 通过计算机内部直接交换数据
Bladed风机模型，Bladed软件，主控系统软件装在同一计算机内。
* 通过硬连接线直接连接
主控系统设计完成后还须完成以下仿真测试：故障状态码仿真、运行工况仿真测试、载荷减缓控制测试、振动测试与分析、启动并网测试、机组运行状态转换测试、偏航控制测试、功率控制测试、信息采集功能测试、故障信息记录测试、与变桨系统联调测试、与变频系统联调测试、与风场监控系统联调测试。
用C语言编写仿真状态，并获得Bladed 的控制状态，将程序编译后得到程序 caiLib.DLL，将此程序在Bladed中的控制部分进行定义：
在其中定义程序的路径 d：＼proland＼vbpro＼cailib＼debug＼cailib.dll，在External Controller Data中定义了2个参数，分别为Kp = 0.005和Ki = 0.002 ，点击OK。 在主计算页面中选择RunNow即可。
模拟运行结果如下：
6 硬件平台功能介绍
双异步电机对拖平台结构：两台鼠笼型异步电机（可根据实际机型更换），两台变频器，转速转矩传感器，联轴器飞轮。用一台变频器根据传动轴转速控制拖动异步电机的输出转矩，来完成模拟风轮转矩输出的目的。用另一台变频器控制一台异步电机模拟真实发电机，发电机变频器不接电网，而是将直流输出直接接入模拟风轮变频器的直流环节当中，对拖平台上安装有风轮以及转速转矩传感器，直流环节中安装有电压电流传感器。
利用模拟发电机的变频器和异步电机观察功率输出情况，研究发电机的控制方法对整机工作情况以及对系统的影响。同时监测对拖平台的转矩，转速，拖动电机输入电压，电流，发电机输出电压，电流，频率，直流环节的电压，电流等信号并向相关总线发送相应参数，实现环境情况启动，复位，停止等功能。同时可添加振动环节监测功能，为将来故障诊断提供一定技术支撑。
7 结束语
该测试平台能真实有效的宽范围模拟风力发电机运行转速，用户可根据需要调节拖动单元转速来达到模拟风速变化引起的发电机转速变化。通过开放式主控系统，用户可以根据自己的实验需求给定发电机转矩，通过变流系统控制双馈发电机的功率输出，达到变速恒频风力机组的并网发电等各过程各参数的实验研究。目前已通过国际风力发电机机组分析的权威软件Bladed仿真测试认证，使其结果更为真实可信。
参考文献：
[1]喻连喜，张全环，赵 静，等. 风电机组主控仿真测试系统的设计[J]. 华电技术， 2012， 34（4）： 73-75.
[2]郑艳文，苑国锋，柴建云，等. 大容量对拖式双馈电机试验系统[J]. 《清华大学学报（自然科学版）》， 2010，50（1）：28-31.
[3]赵南南，刘卫国，诸自强，等. 永磁无刷电机对拖系统仿真分析[J]. 微特电机， 2012， 40（4）： 25-28.
[4]尹潮鸿. 基于DSPACE的风机智能控制半实物仿真研究[D]. 北京：北京交通大学，2009.
[5]滕 飞. 基于双馈电机的风机动态模拟研究[D]. 合肥：合肥工业大学，2013.
[6]王明东，贾德峰，吕蒙琦. 基于Stateflow的风电机组主控系统设计与仿真[J]. 郑州大学学报， 2011， 32（2）： 114-116.
[7]高俊云，王首成. 风力发电机组的载荷特征及计算[J]. 机械工业与自动化，2012，3（1）：204-206.
[8]叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006.
作者简介：
刘 徽（1986-），男，硕士，工程师，主要研究方向：风力发电机控制系统，自动化控制的研究。
王 赟（1980-），女，硕士，高级工程师，主要研究方向：风力发电机控制系统，上位机系统，仿真系统算法的研究。
收稿日期：2019-04-26