專利名稱：一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控系統(tǒng)測試的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控系統(tǒng)測試的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的日趨復(fù)雜化對仿真系統(tǒng)的實(shí)時性、靈活性提出了更高的要求。目前主控系統(tǒng)的測試主要采用如下路線離線算法仿真平臺一全功率拖動平臺一現(xiàn)場風(fēng)電機(jī)組測試。不足之處在于離線仿真與實(shí)際運(yùn)行工況存在失真和脫節(jié)，在實(shí)時性上的局限性導(dǎo)致仿真結(jié)果的置信度低。同時離線仿真平臺也不適合用作故障模式分析。全功率拖動平臺雖然可對齒輪箱，發(fā)電機(jī)、變流器等各部件進(jìn)行電氣系統(tǒng)的可操作性的測試，但是拖動平臺對軟件和核心算法性能缺乏檢測，極限工況的測試過程存在風(fēng)險，可能引起大電氣元件的損傷，同時占地面積大，花費(fèi)高。真實(shí)風(fēng)場的缺點(diǎn)是由于氣象條件的不定性，對主控各功能的測試會造成高昂的風(fēng)場測試費(fèi)用、大量的時間和人力資源耗費(fèi)(比如對極端風(fēng)況的測試可能需要等待一個月以上的時間)，發(fā)生事故的風(fēng)險性也較高。目前硬件在環(huán)仿真在汽車領(lǐng)域已是相對成熟的技術(shù)，該技術(shù)可以將被測控制器連接到模型或者臺架實(shí)車上進(jìn)行大量重復(fù)的快速原型設(shè)計、在環(huán)測試仿真以及標(biāo)定，但是該技術(shù)在風(fēng)電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用還屬于空白。因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組控制器的仿真和測試更依賴于模型的精確程度，和實(shí)時性的保障。 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)需要具備隨機(jī)風(fēng)載荷信號，涵蓋風(fēng)電機(jī)組各部件的復(fù)雜的空氣動力學(xué)、 結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型，如塔架、葉片、傳動鏈、電機(jī)和電網(wǎng)模型。在計算各個子模型的動力學(xué)響應(yīng)后，由控制算法實(shí)時給出控制的策略。因此既要盡可能反應(yīng)真實(shí)的風(fēng)電機(jī)組響應(yīng)，又要保證實(shí)時性(如風(fēng)電機(jī)組主控制器的最小響應(yīng)時間是10ms)，是硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺需要面臨的巨大挑戰(zhàn)。

實(shí)用新型內(nèi)容由于現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本實(shí)用新型的目的是提出一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控系統(tǒng)測試的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以有效減低風(fēng)電控制器的調(diào)試和維護(hù)成本，大大縮短開發(fā)時間周期，提高測試效率，在盡可能反應(yīng)真實(shí)的風(fēng)電機(jī)組響應(yīng)的同時，又保證了實(shí)時性問題；且本實(shí)用新型還提出了通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)本實(shí)用新型的目的，本實(shí)用新型提出了一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控系統(tǒng)測試的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其包括通過RS-232、RS-485連接的上位機(jī)和下位機(jī)，且該上位機(jī)、下位機(jī)分別通過RS-485、以太網(wǎng)和CAN總線與風(fēng)電機(jī)組主控器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)和該待測風(fēng)電機(jī)組主控器輸入輸出點(diǎn)一對一的連接通訊，且該風(fēng)電機(jī)組主控器的輸出信號通過一執(zhí)行和負(fù)載模擬模塊反饋到所述下位機(jī)；所述上位機(jī)承擔(dān)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真系統(tǒng)的搭建與參數(shù)設(shè)置，借助圖形化界面實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選取，仿真數(shù)據(jù)的存儲，讀取功能，同時編寫通訊接口程序。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征，本實(shí)用新型所述上位機(jī)包括Simulink環(huán)境下相互連接的監(jiān)測模塊、風(fēng)載荷生成模塊和仿真模塊，該仿真模塊包括連接的風(fēng)電機(jī)組氣動模塊、風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動力特性模塊、變槳模塊、發(fā)電機(jī)模塊及電網(wǎng)模塊。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征，本實(shí)用新型所述執(zhí)行和負(fù)載模擬模塊包括變流器模塊、伺服電機(jī)和傳感器模塊。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征，本實(shí)用新型所述下位機(jī)包括實(shí)時內(nèi)核系統(tǒng)和通訊接口，與風(fēng)電機(jī)組主控器采用雙PLC構(gòu)架進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征，本實(shí)用新型所述下位機(jī)與一示波器相連。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征，本實(shí)用新型所述步驟4)中，要對風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動力特性模塊的結(jié)果進(jìn)行評估，以評價仿真結(jié)果是否滿足要求，如Abs(fmbd-ffM)/fmbd < 0. 2， 則無需重新設(shè)定風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動力特性模塊的參數(shù)，其中fmbd代表多體動力學(xué)方法計算的固有頻率，ffem代表有限元方法計算的固有頻率，Abs指取絕對值。由于采用以上技術(shù)方案，本實(shí)用新型的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控系統(tǒng)測試的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)1)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)同步開發(fā)，縮短開發(fā)周期；2)可快速重復(fù)再現(xiàn)，系統(tǒng)地評價控制策略；3)無損和安全的極限測試和破壞性試驗(yàn)；4)開放性平臺，具有可擴(kuò)展性；5)降低開發(fā)成本，提高主控系統(tǒng)上機(jī)運(yùn)行的安全性與可靠性；6)輔助主控系統(tǒng)開發(fā)完善主控系統(tǒng)附加功能，如低電壓穿越、功率預(yù)估算法的開發(fā)；7)輔助主控系統(tǒng)優(yōu)化建設(shè)変漿和發(fā)電機(jī)試驗(yàn)平臺，利用精確采樣設(shè)備和復(fù)雜數(shù)據(jù)分析設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對和分析，對控制算法進(jìn)行優(yōu)化。

下面根據(jù)附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明圖1為本實(shí)用新型的連接框圖圖2為本實(shí)用新型中上位機(jī)中各模塊之間的連接框圖圖3為本實(shí)用新型中風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動力特性模塊采用的物理模型圖4為本實(shí)用新型的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)方法的流程圖
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控系統(tǒng)測試的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其包括通過RS-232、RS-485連接的上位機(jī)1和下位機(jī)2，且該上位機(jī)1、下位機(jī)2分別通過 RS-485、以太網(wǎng)和CAN總線與風(fēng)電機(jī)組主控器3進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)和該待測風(fēng)電機(jī)組主控器輸入輸出點(diǎn)一對一的連接通訊，且該風(fēng)電機(jī)組主控器3的輸出信號通過一執(zhí)行和負(fù)載模擬模塊4反饋到下位機(jī)2 ；上位機(jī)1承擔(dān)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真系統(tǒng)的搭建與參數(shù)設(shè)置，借助圖形化界面實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選取，仿真數(shù)據(jù)的存儲，讀取功能；同時編寫通訊接口程序，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換，上下位機(jī)之間采用CAN連接交換數(shù)據(jù)。下位機(jī)2是包括實(shí)時內(nèi)核系統(tǒng)和通訊接口，其與風(fēng)電機(jī)組主控器3采用雙PLC構(gòu)架進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成硬件在環(huán)的實(shí)時仿真，利
4用軟PLC技術(shù)將標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC轉(zhuǎn)換成全功能的PLC過程控制器。軟PLC綜合了計算機(jī)和 PLC的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)值處理、網(wǎng)絡(luò)通信、PID調(diào)節(jié)等功能，通過一個多任務(wù)控制內(nèi)核，提供強(qiáng)大的指令集、快速而準(zhǔn)確的掃描周期、可靠的操作和可連接各種I/ 0系統(tǒng)的及網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)式結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的執(zhí)行和負(fù)載模擬模塊4包括變流器模塊、伺服電機(jī)和傳感器模塊； 下位機(jī)2與一示波器相連，通過示波器觀測風(fēng)電機(jī)組主控器3的輸出信號，判斷控制信號的正確性和有效性。本實(shí)用新型的上位機(jī)1包括在Simulink環(huán)境下相互連接的監(jiān)測模塊、風(fēng)載荷生成模塊和仿真模塊，該仿真模塊包括連接的風(fēng)電機(jī)組氣動模塊5、風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動力特性模塊 6、變槳模塊7、發(fā)電機(jī)模塊8以及電網(wǎng)模塊9，如圖2所示，為上位機(jī)中各模塊間的連接框圖。各模塊主要輸入輸出參數(shù)如下表
模塊名稱輸入?yún)?shù)輸出參數(shù)風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組氣動模塊變槳角度風(fēng)輪轉(zhuǎn)速空氣密度轉(zhuǎn)矩葉尖速比塔架的質(zhì)量分布 塔架的剛度分布Mx, My, Mz1 F在輪轂中心處葉片的質(zhì)量分布Mx, My, Mz, F在輪轂中心處葉片的剛度分布Mx, My, Mz, F 在塔頂揮舞剛度Mx, My, Mz1 F 在塔底動力特性模塊擺振剛度髙速軸剎車扭矩機(jī)艙質(zhì)量塔架凈空規(guī)范間隙輪轂慣量葉尖的位移發(fā)電機(jī)慣量Mx, My, F在葉片根部變速箱比塔頂加速度ΧΛ傳動鏈1階固有頻率變槳模塊變槳角度期望變槳指令變槳角度變槳速度發(fā)電機(jī)模塊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速電轉(zhuǎn)矩期望值損耗因子電轉(zhuǎn)矩發(fā)電功率有效電壓電網(wǎng)模塊電壓偏差電網(wǎng)頻率相角有效電流電流偏差三相電壓三相電流 其中風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動力特性模塊6采用的動力學(xué)模型如圖3所示，10表示基體，11 表示塔架，12表示發(fā)電機(jī)，13表示機(jī)艙，14表示葉片，15表示輪轂。16表示剛體之間的鉸接。分為兩種可選帶軸向扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼的萬向鉸接、或者帶外部力矩激勵的開闔鉸接。鉸接的形式選取依據(jù)風(fēng)電機(jī)組的自由度數(shù)目(13-18)，施加合理的約束和邊界條件。首先對葉片14和塔架11進(jìn)行有限元模態(tài)分析，然后通過改變鉸接16的位置、和類型(阻尼及剛度)參數(shù)，對模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行擬合。這里給出一個算例，主要參數(shù)如下
權(quán)利要求1.一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控系統(tǒng)測試的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于包括通過 RS-232、RS-485連接的上位機(jī)和下位機(jī)，且該上位機(jī)、下位機(jī)分別通過RS-485、以太網(wǎng)和 CAN總線與風(fēng)電機(jī)組主控器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)和該待測風(fēng)電機(jī)組主控器輸入輸出點(diǎn)一對一的連接通訊，且該風(fēng)電機(jī)組主控器的輸出信號通過一執(zhí)行和負(fù)載模擬模塊反饋到所述下位機(jī)；所述上位機(jī)承擔(dān)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真系統(tǒng)的搭建與參數(shù)設(shè)置，借助圖形化界面實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選取，仿真數(shù)據(jù)的存儲，讀取功能，同時編寫通訊接口程序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)包括在 Simulink環(huán)境下相互連接的監(jiān)測模塊、風(fēng)載荷生成模塊和仿真模塊，該仿真模塊包括連接的風(fēng)電機(jī)組氣動模塊、風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動力特性模塊、變槳模塊、發(fā)電機(jī)模塊和電網(wǎng)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述執(zhí)行和負(fù)載模擬模塊包括變流器模塊、伺服電機(jī)和傳感器模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述下位機(jī)包括實(shí)時內(nèi)核系統(tǒng)和通訊接口，與風(fēng)電機(jī)組主控器采用雙PLC構(gòu)架進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述下位機(jī)與一示波器相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控系統(tǒng)測試的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括通過RS-232、RS-485連接的上位機(jī)和下位機(jī)，且該上位機(jī)、下位機(jī)分別通過RS-485、以太網(wǎng)和CAN總線與風(fēng)電機(jī)組主控器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)和待測風(fēng)電機(jī)組主控器輸入輸出點(diǎn)一對一的連接通訊，風(fēng)電機(jī)組主控器的輸出信號通過一執(zhí)行和負(fù)載模擬模塊反饋到下位機(jī)；上位機(jī)承擔(dān)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真系統(tǒng)的搭建與參數(shù)設(shè)置，借助圖形化界面實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選取，仿真數(shù)據(jù)的存儲，讀取功能，同時編寫通訊接口程序。本實(shí)用新型具開發(fā)周期短、無損和安全的極限測試和破壞性試驗(yàn)，并降低了開發(fā)成本，提高了主控系統(tǒng)運(yùn)行安全性與可靠性等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G05B23/02GK202257263SQ201120348789
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者張丹, 李玲蓮 申請人:上?？斪詣踊萍加邢薰?br>