專利名稱：基于plc系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要是利用PLC系統(tǒng)快速構(gòu)建一個(gè)風(fēng)電仿真系統(tǒng)，利用PLC的IO通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)全部測(cè)點(diǎn)信號(hào)的模擬，用于風(fēng)電風(fēng)電主控系統(tǒng)的仿真調(diào)試。
背景技術(shù)：
目前風(fēng)力發(fā)電在我們國(guó)家發(fā)展迅速，裝機(jī)容量快速上升，但是風(fēng)力發(fā)電的核心風(fēng)電主控系統(tǒng)基本為進(jìn)口廠家所壟斷。目前，開發(fā)自主開發(fā)風(fēng)電風(fēng)電主控系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)廠家也在不斷增多，作為一個(gè)新的系統(tǒng)，在實(shí)際投入現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行之前，需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行充分的驗(yàn)證。目前的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證手段主要有以前幾種1.利用仿真軟件進(jìn)行控制策略的仿真。例如利用Matlab或Blade進(jìn)行驗(yàn)證，此種方法也是目前使用較為廣泛的方法。該方法可以方便修改控制策略，驗(yàn)證在不同工況下的控制策略的有效性，在產(chǎn)品的開發(fā)早期，該方法可以進(jìn)行控制策略的初步驗(yàn)證。但是一個(gè)風(fēng)電主控系統(tǒng)不僅僅包含控制策略，還包括運(yùn)行控制策略的軟硬件系統(tǒng)以及外圍的電氣回路，此方法無(wú)法為整個(gè)風(fēng)電主控系統(tǒng)提供一個(gè)驗(yàn)證手段。同時(shí)風(fēng)電主控系統(tǒng)運(yùn)行的程序和參與仿真驗(yàn)證的程序是在兩個(gè)編程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的。2.利用直流或交流電機(jī)模擬原動(dòng)機(jī)風(fēng)輪構(gòu)成的實(shí)物仿真系統(tǒng)。該方法由于發(fā)電機(jī)、變流器全部為實(shí)物，不存在建模的環(huán)節(jié)，可以對(duì)整個(gè)風(fēng)電主控系統(tǒng)進(jìn)行有效的仿真，其缺點(diǎn)是占地面積大，成本極高，且不易改變不同機(jī)組容量情況下對(duì)應(yīng)的參數(shù)，受限于原動(dòng)機(jī)的調(diào)速能力，也不易模擬各種快速變化的風(fēng)速的影響。此種方法適用于在開發(fā)的中后期在進(jìn)行試運(yùn)行之前進(jìn)行的仿真測(cè)試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種占地面積小，成本低的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)有效的風(fēng)電機(jī)組仿真測(cè)試。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于PLC系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)， 包括風(fēng)電仿真系統(tǒng)和與其相連的待測(cè)試的風(fēng)電主控系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)電仿真系統(tǒng)包括SCADA系統(tǒng)和風(fēng)電仿真PLC，所述風(fēng)電仿真PLC利用PLC開發(fā)工具提供IEC61131-3的編程語(yǔ)言開發(fā)仿真程序，風(fēng)電仿真PLC與風(fēng)電主控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。前述的基于PLC系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)，其特征在于所述風(fēng)電仿真PLC包括控制器和IO通道，所述控制器用于模型的運(yùn)算，模型運(yùn)算的結(jié)果通過(guò)IO通道輸出給風(fēng)電主控系統(tǒng)，風(fēng)電主控系統(tǒng)下達(dá)的控制指令同時(shí)通過(guò)IO通道輸入至控制器。前述的基于PLC系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)，其特征在于所述模型包括風(fēng)速、 風(fēng)向、風(fēng)輪、變速箱、發(fā)電機(jī)、變流器的簡(jiǎn)化模型，以及偏航系統(tǒng)、加熱冷卻設(shè)備、液壓設(shè)備、 各個(gè)溫度信號(hào)、角度編碼器的模型。并用IEC61131-3的編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)這些模型。前述的基于PLC系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)，其特征在于風(fēng)電仿真系統(tǒng)中風(fēng)電仿真PLC的DO接口與風(fēng)電主控系統(tǒng)的DI接口、仿真系統(tǒng)的DI接口與風(fēng)電主控系統(tǒng)的DO接口通過(guò)繼電器回路連接，仿真系統(tǒng)中風(fēng)電仿真PLC和風(fēng)電主控系統(tǒng)的同類型AI接口和AO 接口對(duì)應(yīng)連接。前述的基于PLC系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)，其特征在于所述風(fēng)電仿真PLC提供的輸出信號(hào)包括中點(diǎn)信號(hào)、角度編碼器兩相信號(hào)、逆時(shí)針偏航反饋、順時(shí)針偏航反饋、逆時(shí)針絞纜反饋、順時(shí)針絞纜反饋，槳距角度反饋，環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、機(jī)艙當(dāng)前角度、發(fā)電機(jī)線圈溫度、發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端溫度，發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端溫度，發(fā)電機(jī)電刷溫度、齒輪箱溫度、液壓站溫度、機(jī)艙溫度、控制柜體溫度、發(fā)電機(jī)加熱器工作反饋、發(fā)電機(jī)散熱器工作反饋、機(jī)艙散熱器工作反饋、控制柜散熱器工作反饋、控制柜加熱器工作反饋、 齒輪箱加熱器反饋、齒輪箱散熱器反饋、變流器狀態(tài)字反饋、當(dāng)前轉(zhuǎn)矩；接受的風(fēng)電主控系統(tǒng)的輸出信號(hào)有逆時(shí)針偏航指令、順時(shí)針偏航指令、偏航剎車指令，槳距角指令、變流器控制字、變流器轉(zhuǎn)矩給定、發(fā)電機(jī)散熱器開關(guān)信號(hào)、發(fā)電機(jī)加熱器開關(guān)信號(hào)，液壓站加熱器開關(guān)信號(hào)、機(jī)艙散熱器開關(guān)信號(hào)、機(jī)艙加熱器開關(guān)信號(hào)、控制柜散熱器開關(guān)信號(hào)、控制柜加熱器開關(guān)信號(hào)，齒輪箱加熱器開關(guān)信號(hào)、齒輪箱散熱器開關(guān)信號(hào)。接收的SCADA配置的模型參數(shù)有風(fēng)速均值、風(fēng)速正弦增幅、風(fēng)速正弦頻率、風(fēng)速斜率、風(fēng)速方差、風(fēng)向均值、風(fēng)向正弦增幅、風(fēng)向正弦頻率、風(fēng)向斜率、空氣密度、溫度均值、 溫度正弦增幅、溫度正弦頻率、溫度斜率、溫度方差、風(fēng)輪半徑、齒輪箱手動(dòng)設(shè)置油位低信號(hào)、齒輪箱手動(dòng)設(shè)置油壓低信號(hào)、齒輪箱變速比、齒輪箱加熱器功率、齒輪箱機(jī)械功率損耗、 齒輪箱自然熱交換率、齒輪箱風(fēng)扇冷卻系數(shù)、齒輪箱熱容、偏航角度編碼器分辨率、偏航速度、偏航系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)、半轉(zhuǎn)矩剎車轉(zhuǎn)矩、全轉(zhuǎn)矩剎車轉(zhuǎn)矩、手動(dòng)設(shè)置剎車閥故障、手動(dòng)設(shè)置剎車磨損、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(包括低速側(cè)的折算值)、變頻器響應(yīng)慣性時(shí)間常數(shù)、發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)、機(jī)艙加熱器功率、機(jī)艙自然熱交換率、機(jī)艙風(fēng)扇冷卻系數(shù)、機(jī)艙熱容、控制柜加熱器功率、控制柜自然熱交換率、控制柜風(fēng)扇冷卻系數(shù)、控制柜熱容。本發(fā)明所達(dá)到的有益效果本發(fā)明利用PLC系統(tǒng)構(gòu)建的風(fēng)電仿真系統(tǒng)，可以在風(fēng)電風(fēng)電主控系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的早期至中后期有效地支撐其仿真測(cè)試，且具有占地面積小， 成本低的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的基于PLC系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為角度編碼器的正交輸出波形圖；圖3為溫升特性的模型圖；圖4為階慣性環(huán)節(jié)的等效的方框圖；圖5為偏航系統(tǒng)的IO交互示意圖。
具體實(shí)施例方式整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由左側(cè) 的風(fēng)電仿真系統(tǒng)和右側(cè)待測(cè)試的風(fēng)電主控系統(tǒng)構(gòu)成，所述風(fēng)電仿真系統(tǒng)包括以下環(huán)節(jié)1.仿真系統(tǒng)SCADA 配置模型的參數(shù)，顯示模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)；2.通信通道負(fù)責(zé)風(fēng)電仿真系統(tǒng)通過(guò)通信與風(fēng)電主控器交互數(shù)據(jù)的第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)通道。
3.風(fēng)電仿真PLC 該部分包含控制器和IO通道兩部分?？刂破髫?fù)責(zé)模型的運(yùn)算， 包括風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)輪、變速箱、發(fā)電機(jī)和變流器的簡(jiǎn)化模型、偏航系統(tǒng)、各種加熱冷卻設(shè)備、 液壓設(shè)備、各個(gè)溫度信號(hào)、角度編碼器。運(yùn)算的結(jié)果通過(guò)IO通道或者通信輸出給風(fēng)電主控系統(tǒng)，風(fēng)電主控系統(tǒng)下達(dá)的控制指令也通過(guò)IO通道或者通信輸入至控制器。 因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)風(fēng)電風(fēng)電主控系統(tǒng)與外界交互的渠道就是它的IO通道，通過(guò)在在IO通道的外圍加上一個(gè)仿真環(huán)境，這樣參與試驗(yàn)的就是一個(gè)非常完整的主控制柜，包含了軟件與硬件。對(duì)主風(fēng)電主控系統(tǒng)表現(xiàn)一個(gè)更加真實(shí)的環(huán)境，能夠更好地測(cè)試主控制柜。本發(fā)明的內(nèi)容在硬件上的關(guān)鍵就在于利用PLC系統(tǒng)的硬件IO通道輸出，使得模型的輸出的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)硬件IO通道傳遞給風(fēng)電主控系統(tǒng)，同時(shí)風(fēng)電主控系統(tǒng)輸出的控制指令通過(guò)其IO接口輸出給模型；在軟件上，利用IEC61131-3規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)PLC編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型也是關(guān)鍵點(diǎn)。數(shù)學(xué)模型模型風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)輪、變速箱、發(fā)電機(jī)和變流器的簡(jiǎn)化模型、偏航系統(tǒng)、各加熱冷卻設(shè)備、液壓設(shè)備、各個(gè)溫度信號(hào)、角度編碼器。下面選擇幾個(gè)典型的模型實(shí)現(xiàn)說(shuō)明1)風(fēng)輪的模型對(duì)于風(fēng)輪來(lái)說(shuō)，主要是捕獲風(fēng)中的能量，由風(fēng)力機(jī)的理論可知，其抽象的特性表現(xiàn)為Cp = Cp ( λ，β)Cq = Cq(A , β)其中Cp是能量利用系數(shù)，Cq是轉(zhuǎn)矩系數(shù)，λ是尖速比，β是槳距角。那么風(fēng)力機(jī)捕獲的總功率為4 =去/^2Cp(AA)廠二式1)輸入的轉(zhuǎn)矩為:7；=去/^二式幻其中ρ為空氣密度kg/m3，Vwind為風(fēng)速m/s。因此風(fēng)力機(jī)的建模就體現(xiàn)在Cp以及Cq上，目前的風(fēng)力機(jī)型中實(shí)際上翼型種類較少，而且各風(fēng)機(jī)廠家一般都有數(shù)據(jù)表，因此可以較為簡(jiǎn)單的獲得該表格，對(duì)該表格進(jìn)行插值就可以獲得該數(shù)據(jù)，此方法簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，可作為一般仿真用的方法。下面說(shuō)明風(fēng)輪的運(yùn)動(dòng)特性，本系統(tǒng)中認(rèn)為風(fēng)輪是剛性系統(tǒng)，那么風(fēng)輪的運(yùn)動(dòng)方程為Λ 警；― Γ,(約)式 3)該方程中是風(fēng)輪運(yùn)動(dòng)的角速度rad/SJr是風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg · m2Tr是推動(dòng)力矩N· mTgen是發(fā)電機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩N · mTf(Wr)是摩擦阻轉(zhuǎn)矩N · m，在這里是的函數(shù)t是時(shí)間s式3)為一階運(yùn)動(dòng)方程，其中 ；來(lái)自于前面的風(fēng)輪特性，在這里選用Cq，如選擇Cp，那么在計(jì)算出能量后廠=^"，在風(fēng)機(jī)靜止時(shí)，將出現(xiàn)被零除的問(wèn)題，為避免該困難，選擇Cq
計(jì)算，數(shù)據(jù)來(lái)自丹麥RISO實(shí)驗(yàn)室的論文。
2)增量式正交編碼器的模型圖2為角度編碼器的正交輸出波形圖，在偏航系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向與角度增量是通過(guò)角度編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，角度編碼器輸出兩路正交編碼信號(hào)，控制程序通過(guò)該型號(hào)判斷旋轉(zhuǎn)的方向與角度。為了模擬此編碼器，需要規(guī)定一個(gè)起點(diǎn)位置為0度，然后依據(jù)偏航的運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算出來(lái)的風(fēng)機(jī)當(dāng)前角度確定編碼器的兩相輸出，該輸出通過(guò)仿真系統(tǒng)的IO 通道中的DO通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。3)溫升特性的模型對(duì)于待模擬的任何設(shè)備與外界環(huán)境溫度的關(guān)系如圖3所示。對(duì)于模擬的設(shè)備的溫度為T2，該設(shè)備的外環(huán)境溫度為Tl，設(shè)備內(nèi)部的熱源(如線圈、加熱器、摩擦損耗等)轉(zhuǎn)移熱量為Q2,轉(zhuǎn)外環(huán)境移到待模擬設(shè)備的熱量為Qi。外環(huán)境與待模擬設(shè)備的角色定位是依據(jù)計(jì)算的目標(biāo)變化而變化的，例如當(dāng)計(jì)算機(jī)艙溫度時(shí)，外界大氣就是外環(huán)境，機(jī)艙內(nèi)部的發(fā)電機(jī)等等通過(guò)熱對(duì)流交換到機(jī)艙的熱量視作熱源。兩個(gè)設(shè)備之間由于溫差交換的熱量由傳熱方程計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種基于PLC系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)，包括風(fēng)電仿真系統(tǒng)和與其相連的待測(cè)試的風(fēng)電主控系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)電仿真系統(tǒng)包括SCADA系統(tǒng)和風(fēng)電仿真PLC，所述風(fēng)電仿真PLC利用PLC開發(fā)工具提供IEC61131-3的編程語(yǔ)言開發(fā)仿真程序，風(fēng)電仿真PLC 與風(fēng)電主控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)，其特征在于所述風(fēng)電仿真PLC包括控制器和IO通道，所述控制器用于模型的運(yùn)算，模型運(yùn)算的結(jié)果通過(guò)IO 通道輸出給風(fēng)電主控系統(tǒng)，風(fēng)電主控系統(tǒng)下達(dá)的控制指令同時(shí)通過(guò)IO通道輸入至控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于PLC系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)，其特征在于所述模型包括風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)輪、變速箱、發(fā)電機(jī)、變流器的簡(jiǎn)化模型，以及偏航系統(tǒng)、加熱冷卻設(shè)備、液壓設(shè)備、各個(gè)溫度信號(hào)、角度編碼器的模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于PLC系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)，其特征在于風(fēng)電仿真系統(tǒng)中風(fēng)電仿真PLC的DO接口與風(fēng)電主控系統(tǒng)的DI接口、仿真系統(tǒng)的DI接口與風(fēng)電主控系統(tǒng)的DO接口通過(guò)繼電器回路連接，仿真系統(tǒng)中風(fēng)電仿真PLC和風(fēng)電主控系統(tǒng)的同類型AI接口和AO接口對(duì)應(yīng)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于PLC系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)，其特征在于所述風(fēng)電仿真PLC提供的輸出信號(hào)包括中點(diǎn)信號(hào)、角度編碼器兩相信號(hào)、逆時(shí)針偏航反饋、順時(shí)針偏航反饋、逆時(shí)針絞纜反饋、順時(shí)針絞纜反饋，槳距角度反饋，環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、機(jī)艙當(dāng)前角度、發(fā)電機(jī)線圈溫度、發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端溫度，發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端溫度，發(fā)電機(jī)電刷溫度、齒輪箱溫度、液壓站溫度、機(jī)艙溫度、控制柜體溫度、發(fā)電機(jī)加熱器工作反饋、發(fā)電機(jī)散熱器工作反饋、機(jī)艙散熱器工作反饋、控制柜散熱器工作反饋、控制柜加熱器工作反饋、齒輪箱加熱器反饋、齒輪箱散熱器反饋、變流器狀態(tài)字反饋、當(dāng)前轉(zhuǎn)矩；接受的風(fēng)電主控系統(tǒng)的輸出信號(hào)有逆時(shí)針偏航指令、順時(shí)針偏航指令、偏航剎車指令，槳距角指令、變流器控制字、變流器轉(zhuǎn)矩給定、發(fā)電機(jī)散熱器開關(guān)信號(hào)、發(fā)電機(jī)加熱器開關(guān)信號(hào)，液壓站加熱器開關(guān)信號(hào)、機(jī)艙散熱器開關(guān)信號(hào)、機(jī)艙加熱器開關(guān)信號(hào)、控制柜散熱器開關(guān)信號(hào)、控制柜加熱器開關(guān)信號(hào)，齒輪箱加熱器開關(guān)信號(hào)、齒輪箱散熱器開關(guān)信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于PLC系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)，包括風(fēng)電仿真系統(tǒng)和與其相連的待測(cè)試的風(fēng)電主控系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)電仿真系統(tǒng)包括SCADA系統(tǒng)和風(fēng)電仿真PLC，風(fēng)電仿真PLC與風(fēng)電主控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，利用PLC開發(fā)工具提供IEC61131-3的編程語(yǔ)言開發(fā)仿真程序。本發(fā)明利用PLC系統(tǒng)構(gòu)建的風(fēng)電仿真系統(tǒng)，可以在風(fēng)電風(fēng)電主控系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的早期至中后期有效地支撐其仿真測(cè)試，且具有占地面積小，成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05B19/05GK102156431SQ20111000248
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7日
發(fā)明者師毓佳, 張明惠, 楊衛(wèi)民, 沙玉婷, 王斌 申請(qǐng)人:國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司