一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台技术方案

本发明专利技术提供一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台，包括安装有GH Bladed软件的计算机、RTDS、通信PLC、风力发电机组的控制系统；其中：GH Bladed软件中建立有风电机组的风模型、机械部分模型和气动模型；RTDS中建立有风电机组的电气部分模型，采用电力电子开关模型从而支持变流器控制器硬件在环仿真；GH Bladed软件与RTDS之间通过通信PLC实现双向实时通信；风力发电机组的控制系统采用实际风机的控制系统架构，并采用物理控制器实现，包括主控PLC和变流器控制器，主控PLC运行风电机组的主控算法，发挥与实际机组主控制器相同的功能；所述变流器控制器运行变流器控制算法，并输出变流器及其保护电路的脉宽调制脉冲。所述平台可用于商用主控制器和变流器控制器的测试。

Hardware in loop simulation and test platform of wind turbine control system

The invention provides a wind turbine control system hardware in the loop simulation and test platform, including the installation of a GH control system Bladed software, computer RTDS, communication PLC, wind power generation unit; wherein: GH Bladed software to establish a wind turbine wind model, mechanical part model and aerodynamic model; RTDS establishes electrical model of wind turbine, the power electronic switch model to support the converter controller hardware in the loop simulation; GH Bladed software and RTDS to realize bidirectional real-time communication through PLC communication; control system of wind turbine control system uses the framework of actual wind machine, and the physical controller, including master PLC and inverter controller, the main control algorithm PLC control operation of the wind turbine, play the same with the main controller of the unit function; the converter control The converter operates the converter control algorithm, and outputs the PWM pulse of the converter and its protection circuit. The platform can be used for testing a commercial master controller and a converter controller.

【技术实现步骤摘要】
一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台
本专利技术涉及风力发电
，具体地，涉及一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台，尤其是一种基于RTDS与Bladed的风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台。
技术介绍
目前风电机组的仿真技术中，尚缺乏一种采用主控制器和变流器控制器硬件在环测试的详细风电机组模型。已有中国专利CN102749853A，公开了一种基于dSPACE构建了风电机组整机控制半实物仿真平台，该平台包括外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统和主控系统，所述外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统通过风机控制总线与所述主控系统连接。该实验平台能够模拟环境、电网的变化、风轮机输出特性、变流和控制系统及偏航、变桨等其它关键零部件模型，可以模拟风力发电机组在不同环境和条件下的运行情况。中国专利技术专利申请CN104865845A，公开了一种大型风电机组实时运行控制联合仿真平台及其构建方法，该专利中采用Bladed和RTDS构建了实时的联合仿真平台，该平台充分发挥了软件优势互补。但该专利技术中的控制系统作为仿真模型的一部分集成在RTDS中，该控制系统并未采用与实际机组类似的分层、分布式控制系统架构，也未对物理控制器的硬件测试进行接口设计，由于控制器采用仿真模型搭建，一些采集、控制延时被忽略。上述CN102749853A中，实质是实现了小功率样机的实物对拖平台，无法作为大型风电机组的镜像模型。风电机组气动模型与大部分其他模型直接关联，该专利技术中气动模型通过dSPACE实现，精确程度不如专业软件Bladed，且没有柔性塔架、柔性桨叶等机械部分模型。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台，在现有专利技术的基础上设计物理控制器硬件测试接口，构建了一套可完整模拟风电机组整机动态的、现有最大程度接近实际风电机组的半实物实时模拟平台，该平台采用物理控制器进行硬件在环仿真，并可用于商用主控制器、变流器控制器的验证和测试。本专利技术提供一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台，所述平台包括安装有GHBladed软件的计算机、实时数字仿真仪(RealTimeDigtalSimulator,RTDS)、用于通信的可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)、风力发电机组的控制系统；其中：GHBladed软件中建立有风电机组的风模型、机械部分模型和气动模型；RTDS中建立有风电机组的电气部分模型，其采用电力电子开关模型从而支持变流器控制器硬件在环仿真；GHBladed软件与RTDS之间通过用于通信的PLC(以下简称通信PLC)进行实时的变量交互和通信，实现完整的实时闭环仿真；风力发电机组的控制系统采用实际风机的控制系统架构，并采用物理控制器实现，所述风力发电机组的控制系统包括用于实现主控算法的PLC(以下简称主控PLC)和变流器控制器，所述主控PLC运行风电机组的主控算法，发挥与实际机组主控制器相同的功能；所述变流器控制器运行变流器控制算法，并输出变流器及其保护电路的脉宽调制脉冲。所述主控PLC为变流器控制器提供功率指令，同时为Bladed提供控制指令(包括变桨指令和偏航指令)；变流器控制器根据从主控PLC接收到的功率指令和从RTDS检测得到的电信号控制RTDS中的变流器。进一步的，所述RTDS中构建的电气部分模型包括发电机、变流器及其保护电路、网侧滤波器、机组升压变压器、线路、风场升压变压器、故障模拟电路、电网；RTDS采用用户友好的编程方式，电气部分模型进行灵活编程，包括对电网环境、变流器新型拓扑、不同机组类型、不同滤波器、不同电网故障模拟位置的灵活编程；变流器主电路采用电力电子开关模型以支持物理变流器控制器的硬件在环测试，变流器保护电路采用主动式转子Crowbar保护电路配合直流母线Chopper保护电路；电气部分模型包含以下特征：1.发电机和变流器拓扑根据机组类型选取；2.故障模拟电路位于风场升压变压器低压母线上，用于模拟故障发生进行低电压穿越测试。3.发电机、变流器、网侧滤波器及机组升压变压器建立在小步长模型中，线路、风场升压变压器、电网建立在大步长模型中。进一步的，所述Bladed软件中包含硬件测试模块(GHHardwareTest模块)、Bladed计算主模块，硬件测试模块能够调用计算机的以太网网口，实现Bladed计算主模块与通信PLC进行通信。进一步的，所述RTD配备至少一个RTDS工作站接口卡(GTWIF)、若干块RTDS计算板卡(GPC卡)、一块RTDS专用模拟信号输入板卡(GTAI)、一块RTDS专用模拟信号输出板卡(GTAO)、一块RTDS专用数字信号输入板卡(GTDI)。进一步的，所述通信PLC配备有以太网组件、数字输入接口(DI)、模拟输入接口(AI)和模拟输出接口(AO)。通信PLC运行通信程序，实现计算机数据变量与电信号之间的转换，充当Windows计算机与RTDS、主控PLC之间的通信接口。进一步的，所述主控PLC配备数字输出接口(DO)、模拟输入接口和模拟输出接口。进一步的，所述变流器控制器是以DSP为核心处理单元的物理控制器，由模拟信号调理电路及A/D转换、DSP构成，其中模拟信号调理电路及A/D转换充当整个变流器控制器模块的模拟输入接口，DSP运行变流器控制算法并作为变流器控制器模块的数字输出接口，其输出变流器及其保护电路中电力电子开关器件的脉宽调制(PWM)脉冲。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术更接近实际风电机组的架构，尤其是具有了主控PLC和变流器控制器的外部接口，可以对二者同时进行硬件在环仿真，且采样延时、控制延时的影响均可以计及。当Bladed中的风机模型采用商用风机的镜像模型，且RTDS中的电气部分模型采用实际发电机、变流器及电网的镜像模型时，在所开发的半实物硬件在环实时模拟平台上，可对商用机组的主控制器、变流器控制器进行硬件在环验证和测试。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术平台的总体构成框图；图2为本专利技术平台RTDS中的模型示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，本专利技术一实施例中风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台的结构框图，包括一台安装有GHBladed软件的Windows操作系统计算机、一台RTDS、一台通信PLC、一台主控可编程逻辑控制器、一套变流器控制器。在一优选实施例中，Windows操作系统计算机要求双核3.0GHz以上主频CPU配置，并带有正确安装驱动的以太网网口。该计算机中安装的Bladed软件包括两部分：Bladed计算主程序和Bladed自带的与之配套的硬件测试模块，二者之间的通信接口由Bladed开发提供，实现方式是计算机内部软本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台，其特征在于，所述平台包括安装有GH Bladed软件的计算机、实时数字仿真仪RTDS、通信PLC、风力发电机组的控制系统；其中：GH Bladed软件中建立有风电机组的风模型、机械部分模型和气动模型；RTDS中建立有风电机组的电气部分模型，其采用电力电子开关模型从而支持变流器控制器硬件在环仿真；GH Bladed软件与RTDS之间通过通信PLC进行实时的变量交互和通信，实现完整的实时闭环仿真；风力发电机组的控制系统采用实际风机的控制系统架构，并采用物理控制器实现；所述风力发电机组的控制系统包括主控PLC和变流器控制器，所述主控PLC运行风电机组的主控算法，发挥与实际机组主控制器相同的功能；所述变流器控制器运行变流器控制算法，并输出变流器及其保护电路的脉宽调制脉冲；所述主控PLC为变流器控制器提供功率指令，同时为Bladed提供控制指令；所述变流器控制器根据从主控PLC接收到的功率指令和从RTDS检测得到的电信号控制RTDS中的变流器。

【技术特征摘要】
1.一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台，其特征在于，所述平台包括安装有GHBladed软件的计算机、实时数字仿真仪RTDS、通信PLC、风力发电机组的控制系统；其中：GHBladed软件中建立有风电机组的风模型、机械部分模型和气动模型；RTDS中建立有风电机组的电气部分模型，其采用电力电子开关模型从而支持变流器控制器硬件在环仿真；GHBladed软件与RTDS之间通过通信PLC进行实时的变量交互和通信，实现完整的实时闭环仿真；风力发电机组的控制系统采用实际风机的控制系统架构，并采用物理控制器实现；所述风力发电机组的控制系统包括主控PLC和变流器控制器，所述主控PLC运行风电机组的主控算法，发挥与实际机组主控制器相同的功能；所述变流器控制器运行变流器控制算法，并输出变流器及其保护电路的脉宽调制脉冲；所述主控PLC为变流器控制器提供功率指令，同时为Bladed提供控制指令；所述变流器控制器根据从主控PLC接收到的功率指令和从RTDS检测得到的电信号控制RTDS中的变流器。2.根据权利要求1所述的风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台，其特征在于，所述RTDS中构建的电气部分模型包括发电机、变流器及其保护电路、网侧滤波器、机组升压变压器、线路、风场升压变压器、故障模拟电路、电网；电气部分模型进行灵活编程，包括对电网环境、变流器新型拓扑、不同机组类型、不同滤波器、不同电网故障模拟位置；变流器主电路采用电力电子开关模型以支持物理变流器控制器的硬件在环测试，变流器保护电路采用主动式转子Crowbar保护电路配合直流母线Chopper保护电路；电气部分模型包含以下特征：发电机和变流器拓扑根据机组类型选取；故障模拟电路位于风场升压变压器低压母线上，用于模拟故障...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡旭，贾锋，李征，曹云峰，张琛，蔡游明，王磊，李悦强，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31