大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控測(cè)試系統(tǒng)研究

摘要：大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，運(yùn)行工況具有不可預(yù)測(cè)和不可重現(xiàn)性等，主控系統(tǒng)必須具備高可靠性、高動(dòng)態(tài)性能等特點(diǎn)。構(gòu)建了一種大型風(fēng)電機(jī)組主控測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)建立了風(fēng)電機(jī)組模型，模擬風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組運(yùn)行工況再現(xiàn)，使測(cè)試和調(diào)試不受風(fēng)的隨機(jī)性、間歇性等特性的影響，并制定了相應(yīng)測(cè)試方案，總結(jié)了測(cè)試注意事項(xiàng)。經(jīng)驗(yàn)證，該測(cè)試系統(tǒng)有效解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)全面動(dòng)態(tài)測(cè)試難題，保證了主控系統(tǒng)的高可靠和高動(dòng)態(tài)性能，缺陷得到提前暴露，縮短了研發(fā)周期，減少了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，提高了風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)研發(fā)、出廠質(zhì)量。 　　0引言 　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)風(fēng)電設(shè)備中薄弱環(huán)節(jié)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測(cè)試及質(zhì)量控制更是風(fēng)電領(lǐng)域的難題，各個(gè)廠家風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制差異大，相關(guān)IEC標(biāo)準(zhǔn)未得到實(shí)際采用，一致性測(cè)試無(wú)法開(kāi)展，測(cè)試僅限于輸入輸出對(duì)點(diǎn)測(cè)試、全功率測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，缺乏對(duì)主控系統(tǒng)全面測(cè)試手段和方法。若直接進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，成本高，易造成設(shè)備損壞；并且因風(fēng)具有隨機(jī)性、間歇性，無(wú)法在風(fēng)場(chǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)，尤其是極限風(fēng)況的實(shí)驗(yàn)。 　　目前一些研究院所搭建了測(cè)試平臺(tái)，但是多是針對(duì)性試驗(yàn)系統(tǒng)，如針對(duì)性用于載荷計(jì)算、硬件測(cè)試或靜態(tài)測(cè)試等，風(fēng)電機(jī)組核心控制算法、策略等不能系統(tǒng)全面動(dòng)態(tài)測(cè)試。如何建立一種全面動(dòng)態(tài)的主控測(cè)試系統(tǒng)，提前暴露缺陷，方便測(cè)試和調(diào)試，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行是迫切需要解決的問(wèn)題。 　　1測(cè)試思路 　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)需測(cè)試的功能主要有遠(yuǎn)程通信、槳距控制、溫度控制、偏航控制、功率控制、狀態(tài)轉(zhuǎn)換等，測(cè)試時(shí)可依照功能模塊先單步測(cè)試，然后進(jìn)行連續(xù)測(cè)試。為了保證能夠?qū)χ骺叵到y(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的全面性、高效性，在測(cè)試中以現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需求為測(cè)試出發(fā)點(diǎn)，在白盒測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行黑盒測(cè)試。測(cè)試將依據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)文檔，保證編程的正確性；依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、廠家設(shè)計(jì)思路、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)等，保證功能不缺失，性能滿足使用要求；使用行業(yè)通用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真軟件進(jìn)行工況測(cè)試，保證功率控制策略的可行與高效。 　　2測(cè)試系統(tǒng)的組成 　　本著模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況的原則，搭建測(cè)試系統(tǒng)，研制測(cè)試工具，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控測(cè)試系統(tǒng)能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，使得主控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)之間能順利切換，可方便觀測(cè)分析各種工況，模擬各種故障。 　　測(cè)試系統(tǒng)搭建如圖1，由通信系統(tǒng)、模擬風(fēng)機(jī)、風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、變流系統(tǒng)、外部風(fēng)況模擬系統(tǒng)等組成。通信系統(tǒng)網(wǎng)路（長(zhǎng)虛線部分）為主控對(duì)外接口網(wǎng)絡(luò)，其主要通信接口有變槳系統(tǒng)、變流系統(tǒng)、風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)等，通過(guò)該通信系統(tǒng)連接主控及物理或模擬系統(tǒng)；模擬風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可以模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，使主控正常工作，動(dòng)態(tài)檢測(cè)其功能及性能。實(shí)線網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)、分析各個(gè)接口信息是否正常，系統(tǒng)功能、性能是否正常等，是故障分析定位的網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試時(shí)的人機(jī)接口。短虛線代表主控需要和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組交互的信息。 　　用PT100、電流源、電壓源、Blade及相關(guān)測(cè)試軟件等組成模擬風(fēng)機(jī)模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、冷卻系統(tǒng)等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中溫度測(cè)量常用PT100，在模擬溫度類故障和控制功能測(cè)試時(shí)可使用電阻箱及普通電阻代替；風(fēng)速、風(fēng)向等傳感器輸出為電流信號(hào)，在測(cè)試過(guò)程中使用電流源代替，可方便模擬風(fēng)向、風(fēng)速等值的改變，完成測(cè)試；仿真變槳、變流、監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際功能，并建立其與主控的通信，從而來(lái)檢測(cè)主控系統(tǒng)功能和性能；測(cè)試系統(tǒng)搭建完成后應(yīng)保證與主控系統(tǒng)之間通信正常，無(wú)故障激活，可通過(guò)監(jiān)控軟件觀察。 　　測(cè)試系統(tǒng)還面臨兩個(gè)問(wèn)題：風(fēng)速一定時(shí)如何根據(jù)實(shí)際情況模擬槳距角變化時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化；發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)槳距角、轉(zhuǎn)矩變化時(shí)功率的變化。本系統(tǒng)利用行業(yè)內(nèi)比較成熟的Blade軟件，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)建立模擬風(fēng)機(jī)模型，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向、槳距角、轉(zhuǎn)矩給出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電功率值。模擬風(fēng)機(jī)模型主要模塊及參數(shù)如表1所示，系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)流動(dòng)如圖2所示。 　　測(cè)試時(shí)不但考慮恒定風(fēng)速風(fēng)況，更要考慮湍流等情況，對(duì)正常湍流模型，湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差的代表值σ1，90%情況下由輪轂高度處的風(fēng)速給出。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)機(jī)等級(jí)，這個(gè)值由下式給出： 　　式中：b=5.6m/s；Iref的值由表2給出。 　　表中：Iref表示在15m/s時(shí)湍流密度的期望值；Vref表示參考風(fēng)速10min的平均值；A表示較高湍流特性級(jí)；B表示中等湍流特性級(jí)；C表示較低湍流特性級(jí)。 　　符合高斯分布的有一定方差的白噪聲，通過(guò)karman濾波，得到在該風(fēng)況下的karman湍流分布形狀，再與一個(gè)該風(fēng)況下的權(quán)值作乘積，得到湍流波動(dòng)皺型。利用Blade軟件生成國(guó)際規(guī)定風(fēng)況的實(shí)際風(fēng)速，如圖3，Hub wind speed曲線即為Vhub=13m/s的湍流風(fēng)，驅(qū)動(dòng)圖2所示的數(shù)據(jù)流，以此來(lái)檢驗(yàn)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行各項(xiàng)功能和指標(biāo)。 　　3系統(tǒng)測(cè)試方案 　　系統(tǒng)搭建完成后，首先對(duì)系統(tǒng)間通信進(jìn)行測(cè)試，如對(duì)變槳、變流上送信息進(jìn)行變位，在監(jiān)控軟件和本機(jī)人機(jī)界面觀察上送信息是否正確，并依照電氣原理圖紙對(duì)DI/AI信息進(jìn)行驗(yàn)證；啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組觀察槳距角、轉(zhuǎn)速是否變化，檢驗(yàn)正常后，模擬各種工況，展開(kāi)功能性測(cè)試。 　　依據(jù)IEC 61400-1規(guī)定工況，以及中國(guó)的風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工況模擬，如圖4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工況分類所示，在此基礎(chǔ)上根據(jù)圖5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測(cè)試項(xiàng)目分類組織開(kāi)展測(cè)試?，F(xiàn)具體以測(cè)試第一項(xiàng)功能邏輯中的啟動(dòng)功能測(cè)試為例，說(shuō)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同湍流風(fēng)速下控制系統(tǒng)能否正確控制機(jī)組啟動(dòng)，其他測(cè)試項(xiàng)目限于篇幅不再展開(kāi)。 　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)功能主要測(cè)試項(xiàng)目： 　　1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各種啟動(dòng)方式是否有效，包括自動(dòng)啟動(dòng)、面板人工啟動(dòng)、機(jī)艙柜人工啟動(dòng)和遠(yuǎn)程啟動(dòng)等。 　　在控制系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)及系統(tǒng)安全鏈進(jìn)行檢測(cè)，在無(wú)故障情況下，使系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)只能手動(dòng)啟動(dòng)（就地手動(dòng)、遠(yuǎn)方手動(dòng)）。 　　2）檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)條件是否有效，這些條件包括系統(tǒng)壓力、溫度、風(fēng)速、電網(wǎng)電壓、頻率等。 　　3）啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)響應(yīng)是否正確有效。 　　4）啟動(dòng)過(guò)程中其他控制如溫控、泵控、偏航等是否能根據(jù)需要有效。 　　5）是否限制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組每天自動(dòng)啟動(dòng)次數(shù)。 　　6）啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生風(fēng)向變化對(duì)啟動(dòng)的影響。 　　7）額定風(fēng)速以下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程，觀測(cè)調(diào)槳、調(diào)速、調(diào)距等過(guò)程。 　　8）額定風(fēng)速以上啟動(dòng)過(guò)程，觀測(cè)調(diào)槳、調(diào)速、調(diào)矩等過(guò)程。 　　注：?jiǎn)?dòng)過(guò)程中調(diào)槳、調(diào)速、調(diào)矩等過(guò)程觀測(cè)見(jiàn)圖3湍流風(fēng)況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程，相應(yīng)曲線。 　　4測(cè)試注意事項(xiàng) 　　主控系統(tǒng)功能測(cè)試完成后，應(yīng)對(duì)需求分析文檔進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試之前應(yīng)制定詳細(xì)測(cè)試項(xiàng)目，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)功能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，具體可參考風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 　　測(cè)試過(guò)程中應(yīng)制定測(cè)試模板，避免因測(cè)試人員能力、測(cè)試人員狀態(tài)的不同導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不同，保證測(cè)試質(zhì)量。如表3為狀態(tài)碼測(cè)試模板，黑色字體為測(cè)試舉例。 　　對(duì)測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題要詳細(xì)記錄并進(jìn)行跟蹤，避免問(wèn)題丟失、遺漏。因測(cè)試過(guò)程中會(huì)對(duì)程序進(jìn)行適時(shí)修改，對(duì)修改后問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)回歸測(cè)試，保證已修改程序不會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題。測(cè)試過(guò)程中不應(yīng)只輸入合理?xiàng)l件，還需觀察各種不合理?xiàng)l件下主控系統(tǒng)的處理措施，只有在實(shí)驗(yàn)中考慮的更全面，才能在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中減少時(shí)間，降低成本。在測(cè)試完成后應(yīng)對(duì)測(cè)試問(wèn)題、功能文檔進(jìn)行整理，作為現(xiàn)場(chǎng)故障分析參考手冊(cè)。 　　5測(cè)試項(xiàng)目驗(yàn)證 　　構(gòu)建本測(cè)試系統(tǒng)，按照測(cè)試方案，目前已完成國(guó)家科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控等系統(tǒng)全面動(dòng)態(tài)測(cè)試驗(yàn)證，有效提前暴露了狀態(tài)轉(zhuǎn)換、啟動(dòng)、停機(jī)、通信、控制策略、算法等多方面的缺陷，如并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)功率控制跳變（見(jiàn)圖6）、因系統(tǒng)間協(xié)調(diào)配合缺陷不能正常停機(jī)、故障監(jiān)測(cè)不全面、停機(jī)時(shí)風(fēng)機(jī)不能及時(shí)脫網(wǎng)、穩(wěn)定風(fēng)速下持續(xù)調(diào)槳幅度過(guò)大、狀態(tài)碼誤激活、判據(jù)不合適、參數(shù)不合理、狀態(tài)碼激活后策略未分級(jí)、停機(jī)過(guò)程與文檔不一致、不能識(shí)別與變槳通信中斷、在高風(fēng)速下不能發(fā)電運(yùn)行等，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)得到了有效完善，通過(guò)修改完善這些缺陷，在室內(nèi)研發(fā)階段得到了解決，有效保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。 　　6結(jié)論 　　本測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，能夠?qū)Υ笮惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行全面動(dòng)態(tài)測(cè)試，經(jīng)大型項(xiàng)目的實(shí)踐，其能夠?qū)崿F(xiàn)如下目的： 　　1）把現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作搬進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室，節(jié)約了大量測(cè)試成本； 　　2）使測(cè)試工作擺脫了自然風(fēng)的各種限制，不再受風(fēng)的隨機(jī)性、間歇性、易受影響等特性的影響，節(jié)約了數(shù)倍的測(cè)試時(shí)間，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期； 　　3）測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，適時(shí)對(duì)控制程序進(jìn)行更改，做到了在測(cè)試中完善產(chǎn)品的研發(fā)模式。 　　總之，本測(cè)試方法經(jīng)大型項(xiàng)目的檢驗(yàn)，能夠有效發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不足，做到程序化、標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化測(cè)試。（張舉良，陶學(xué)軍，賈曉杰，王興安，周偉）