大型風力發(fā)電機組主控測試系統(tǒng)研究

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