专利名称：基于plc系统的风电机组运行仿真系统的制作方法
技术领域：
本发明主要是利用PLC系统快速构建一个风电仿真系统，利用PLC的IO通道，实现对现场全部测点信号的模拟，用于风电风电主控系统的仿真调试。
背景技术：
目前风力发电在我们国家发展迅速，装机容量快速上升，但是风力发电的核心风电主控系统基本为进口厂家所垄断。目前，开发自主开发风电风电主控系统的国内厂家也在不断增多，作为一个新的系统，在实际投入现场试运行之前，需要在实验室进行充分的验证。目前的实验室验证手段主要有以前几种1.利用仿真软件进行控制策略的仿真。例如利用Matlab或Blade进行验证，此种方法也是目前使用较为广泛的方法。该方法可以方便修改控制策略，验证在不同工况下的控制策略的有效性，在产品的开发早期，该方法可以进行控制策略的初步验证。但是一个风电主控系统不仅仅包含控制策略，还包括运行控制策略的软硬件系统以及外围的电气回路，此方法无法为整个风电主控系统提供一个验证手段。同时风电主控系统运行的程序和参与仿真验证的程序是在两个编程环境下实现的。2.利用直流或交流电机模拟原动机风轮构成的实物仿真系统。该方法由于发电机、变流器全部为实物，不存在建模的环节，可以对整个风电主控系统进行有效的仿真，其缺点是占地面积大，成本极高，且不易改变不同机组容量情况下对应的参数，受限于原动机的调速能力，也不易模拟各种快速变化的风速的影响。此种方法适用于在开发的中后期在进行试运行之前进行的仿真测试。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种占地面积小，成本低的风电机组运行仿真系统，可以实现有效的风电机组仿真测试。为解决上述技术问题，本发明提供一种基于PLC系统的风电机组运行仿真系统， 包括风电仿真系统和与其相连的待测试的风电主控系统，其特征在于，所述风电仿真系统包括SCADA系统和风电仿真PLC，所述风电仿真PLC利用PLC开发工具提供IEC61131-3的编程语言开发仿真程序，风电仿真PLC与风电主控系统进行数据交互。前述的基于PLC系统的风电机组运行仿真系统，其特征在于所述风电仿真PLC包括控制器和IO通道，所述控制器用于模型的运算，模型运算的结果通过IO通道输出给风电主控系统，风电主控系统下达的控制指令同时通过IO通道输入至控制器。前述的基于PLC系统的风电机组运行仿真系统，其特征在于所述模型包括风速、 风向、风轮、变速箱、发电机、变流器的简化模型，以及偏航系统、加热冷却设备、液压设备、 各个温度信号、角度编码器的模型。并用IEC61131-3的编程语言实现这些模型。前述的基于PLC系统的风电机组运行仿真系统，其特征在于风电仿真系统中风电仿真PLC的DO接口与风电主控系统的DI接口、仿真系统的DI接口与风电主控系统的DO接口通过继电器回路连接，仿真系统中风电仿真PLC和风电主控系统的同类型AI接口和AO 接口对应连接。前述的基于PLC系统的风电机组运行仿真系统，其特征在于所述风电仿真PLC提供的输出信号包括中点信号、角度编码器两相信号、逆时针偏航反馈、顺时针偏航反馈、逆时针绞缆反馈、顺时针绞缆反馈，桨距角度反馈，环境温度、风速、风向、发电机转速、风轮转速、机舱当前角度、发电机线圈温度、发电机驱动端温度，发电机非驱动端温度，发电机电刷温度、齿轮箱温度、液压站温度、机舱温度、控制柜体温度、发电机加热器工作反馈、发电机散热器工作反馈、机舱散热器工作反馈、控制柜散热器工作反馈、控制柜加热器工作反馈、 齿轮箱加热器反馈、齿轮箱散热器反馈、变流器状态字反馈、当前转矩；接受的风电主控系统的输出信号有逆时针偏航指令、顺时针偏航指令、偏航刹车指令，桨距角指令、变流器控制字、变流器转矩给定、发电机散热器开关信号、发电机加热器开关信号，液压站加热器开关信号、机舱散热器开关信号、机舱加热器开关信号、控制柜散热器开关信号、控制柜加热器开关信号，齿轮箱加热器开关信号、齿轮箱散热器开关信号。接收的SCADA配置的模型参数有风速均值、风速正弦增幅、风速正弦频率、风速斜率、风速方差、风向均值、风向正弦增幅、风向正弦频率、风向斜率、空气密度、温度均值、 温度正弦增幅、温度正弦频率、温度斜率、温度方差、风轮半径、齿轮箱手动设置油位低信号、齿轮箱手动设置油压低信号、齿轮箱变速比、齿轮箱加热器功率、齿轮箱机械功率损耗、 齿轮箱自然热交换率、齿轮箱风扇冷却系数、齿轮箱热容、偏航角度编码器分辨率、偏航速度、偏航系统惯性时间常数、半转矩刹车转矩、全转矩刹车转矩、手动设置刹车阀故障、手动设置刹车磨损、发电机转动惯量(包括低速侧的折算值)、变频器响应惯性时间常数、发电机极对数、机舱加热器功率、机舱自然热交换率、机舱风扇冷却系数、机舱热容、控制柜加热器功率、控制柜自然热交换率、控制柜风扇冷却系数、控制柜热容。本发明所达到的有益效果本发明利用PLC系统构建的风电仿真系统，可以在风电风电主控系统研发过程中的早期至中后期有效地支撑其仿真测试，且具有占地面积小， 成本低的优点。
图1为本发明的基于PLC系统的风电机组运行仿真系统结构示意图；图2为角度编码器的正交输出波形图；图3为温升特性的模型图；图4为阶惯性环节的等效的方框图；图5为偏航系统的IO交互示意图。
具体实施例方式整个系统的结构如图1所示，整个系统由左侧 的风电仿真系统和右侧待测试的风电主控系统构成，所述风电仿真系统包括以下环节1.仿真系统SCADA 配置模型的参数，显示模型的运行数据；2.通信通道负责风电仿真系统通过通信与风电主控器交互数据的第三方设备的数据通道。
3.风电仿真PLC 该部分包含控制器和IO通道两部分。控制器负责模型的运算， 包括风速、风向、风轮、变速箱、发电机和变流器的简化模型、偏航系统、各种加热冷却设备、 液压设备、各个温度信号、角度编码器。运算的结果通过IO通道或者通信输出给风电主控系统，风电主控系统下达的控制指令也通过IO通道或者通信输入至控制器。 因为现场风电风电主控系统与外界交互的渠道就是它的IO通道，通过在在IO通道的外围加上一个仿真环境，这样参与试验的就是一个非常完整的主控制柜，包含了软件与硬件。对主风电主控系统表现一个更加真实的环境，能够更好地测试主控制柜。本发明的内容在硬件上的关键就在于利用PLC系统的硬件IO通道输出，使得模型的输出的数据能够通过硬件IO通道传递给风电主控系统，同时风电主控系统输出的控制指令通过其IO接口输出给模型；在软件上，利用IEC61131-3规定的标准PLC编程语言实现数学模型也是关键点。数学模型模型风速、风向、风轮、变速箱、发电机和变流器的简化模型、偏航系统、各加热冷却设备、液压设备、各个温度信号、角度编码器。下面选择几个典型的模型实现说明1)风轮的模型对于风轮来说，主要是捕获风中的能量，由风力机的理论可知，其抽象的特性表现为Cp = Cp ( λ，β)Cq = Cq(A , β)其中Cp是能量利用系数，Cq是转矩系数，λ是尖速比，β是桨距角。那么风力机捕获的总功率为4 =去/^2Cp(AA)厂二式1)输入的转矩为:7；=去/^二式幻其中ρ为空气密度kg/m3，Vwind为风速m/s。因此风力机的建模就体现在Cp以及Cq上，目前的风力机型中实际上翼型种类较少，而且各风机厂家一般都有数据表，因此可以较为简单的获得该表格，对该表格进行插值就可以获得该数据，此方法简单，计算量小，可作为一般仿真用的方法。下面说明风轮的运动特性，本系统中认为风轮是刚性系统，那么风轮的运动方程为Λ 警；― Γ,(約)式 3)该方程中是风轮运动的角速度rad/SJr是风轮的转动惯量kg · m2Tr是推动力矩N· mTgen是发电机的阻转矩N · mTf(Wr)是摩擦阻转矩N · m，在这里是的函数t是时间s式3)为一阶运动方程，其中 ；来自于前面的风轮特性，在这里选用Cq，如选择Cp，那么在计算出能量后厂=^"，在风机静止时，将出现被零除的问题，为避免该困难，选择Cq
计算，数据来自丹麦RISO实验室的论文。
2)增量式正交编码器的模型图2为角度编码器的正交输出波形图，在偏航系统中，风机旋转的方向与角度增量是通过角度编码器来实现的，角度编码器输出两路正交编码信号，控制程序通过该型号判断旋转的方向与角度。为了模拟此编码器，需要规定一个起点位置为0度，然后依据偏航的运动方程计算出来的风机当前角度确定编码器的两相输出，该输出通过仿真系统的IO 通道中的DO通道来实现。3)温升特性的模型对于待模拟的任何设备与外界环境温度的关系如图3所示。对于模拟的设备的温度为T2，该设备的外环境温度为Tl，设备内部的热源(如线圈、加热器、摩擦损耗等)转移热量为Q2,转外环境移到待模拟设备的热量为Qi。外环境与待模拟设备的角色定位是依据计算的目标变化而变化的，例如当计算机舱温度时，外界大气就是外环境，机舱内部的发电机等等通过热对流交换到机舱的热量视作热源。两个设备之间由于温差交换的热量由传热方程计算
权利要求
1.一种基于PLC系统的风电机组运行仿真系统，包括风电仿真系统和与其相连的待测试的风电主控系统，其特征在于，所述风电仿真系统包括SCADA系统和风电仿真PLC，所述风电仿真PLC利用PLC开发工具提供IEC61131-3的编程语言开发仿真程序，风电仿真PLC 与风电主控系统进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的基于PLC系统的风电机组运行仿真系统，其特征在于所述风电仿真PLC包括控制器和IO通道，所述控制器用于模型的运算，模型运算的结果通过IO 通道输出给风电主控系统，风电主控系统下达的控制指令同时通过IO通道输入至控制器。
3.根据权利要求2所述的基于PLC系统的风电机组运行仿真系统，其特征在于所述模型包括风速、风向、风轮、变速箱、发电机、变流器的简化模型，以及偏航系统、加热冷却设备、液压设备、各个温度信号、角度编码器的模型。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于PLC系统的风电机组运行仿真系统，其特征在于风电仿真系统中风电仿真PLC的DO接口与风电主控系统的DI接口、仿真系统的DI接口与风电主控系统的DO接口通过继电器回路连接，仿真系统中风电仿真PLC和风电主控系统的同类型AI接口和AO接口对应连接。
5.根据权利要求3所述的基于PLC系统的风电机组运行仿真系统，其特征在于所述风电仿真PLC提供的输出信号包括中点信号、角度编码器两相信号、逆时针偏航反馈、顺时针偏航反馈、逆时针绞缆反馈、顺时针绞缆反馈，桨距角度反馈，环境温度、风速、风向、发电机转速、风轮转速、机舱当前角度、发电机线圈温度、发电机驱动端温度，发电机非驱动端温度，发电机电刷温度、齿轮箱温度、液压站温度、机舱温度、控制柜体温度、发电机加热器工作反馈、发电机散热器工作反馈、机舱散热器工作反馈、控制柜散热器工作反馈、控制柜加热器工作反馈、齿轮箱加热器反馈、齿轮箱散热器反馈、变流器状态字反馈、当前转矩；接受的风电主控系统的输出信号有逆时针偏航指令、顺时针偏航指令、偏航刹车指令，桨距角指令、变流器控制字、变流器转矩给定、发电机散热器开关信号、发电机加热器开关信号，液压站加热器开关信号、机舱散热器开关信号、机舱加热器开关信号、控制柜散热器开关信号、控制柜加热器开关信号，齿轮箱加热器开关信号、齿轮箱散热器开关信号。
全文摘要
本发明公开了一种基于PLC系统的风电机组运行仿真系统，包括风电仿真系统和与其相连的待测试的风电主控系统，其特征在于，所述风电仿真系统包括SCADA系统和风电仿真PLC，风电仿真PLC与风电主控系统进行数据交互，利用PLC开发工具提供IEC61131-3的编程语言开发仿真程序。本发明利用PLC系统构建的风电仿真系统，可以在风电风电主控系统研发过程中的早期至中后期有效地支撑其仿真测试，且具有占地面积小，成本低的优点。
文档编号G05B19/05GK102156431SQ20111000248
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月7日 优先权日2011年1月7日
发明者师毓佳, 张明惠, 杨卫民, 沙玉婷, 王斌 申请人:国电南京自动化股份有限公司