贝加莱 仿真建模-上海电气MW级风机测试平台

1. 引言
       风力发电产业快速发展的同时，风机研发制造技术也不断进步。近几年来，国内出现了许多拥有自主知识产权的不同容量的风机产品。在国内风电产业获得如此可喜成就的同时也给风机整机性能、质量、制造装配技术提出了更高、更深的要求。风机的仿真建模可以作为自主研发设计风机产品的仿真、验证一个重要方法。通过仿真建模后的实验平台测试可以帮助我们掌握完善的风机质量检测手段，全面评估风机产品质量，规范风机产品，减少风机现场调试时间和风险，以利于风电行业健康稳定发展。
       虽然风机以发出合格电能为直接目标，但是作为一个复杂的机械、电气、流体等专业科学的复合体，且风机运行环境的特殊性，这要求风机产品测试内容广泛，而当前并没有全面测试的国标要求。本文所述MW 级试验测试平台可完成的测试项目有：部分功率、全功率、过载和故障状态下的机械、电气参数测试；边缘载荷下旋转部件的特性测试（如扭振）；全功率运行测试；风机效率测试；风机控制系统和物理模型测试与评估；风机保护系统功能测试；风机电能质量测试；风机全风况运行的流程测试(启动、升速、并网、发电、切出等)；测试平台具备的功能有：基本电气控制系统；气动及风轮特性模拟；电网接入及原动机变频驱动设备；虚拟测试系统和电气仪表测试系统；操作台和人机界面系统；数据处理和分析系统；历史数据监控、打印，报表输出系统；视频监控、故障报警、电子屏显示等功能，风机测试平台是一个庞大复杂系统。
2. 系统原理概要
2.1双馈感应发电机(DFIG)风电机组
       双馈感应发电机的典型结构示意图如图1所示。它采用一个具有滑环的绕线转子感应发电机，电流通过滑环进出转子绕组，而变速运行时通过给转子注入一个具有转差频率的可控电压来实现的(Mueller 等， 2002； Holdsworth等，2003)。转子绕组有一个变频器供电，该变频器的典型结构是由两个基于IGBT的AC/DC电压源变流器(VSC)再加一个公共的直流链接构成。该变频器是电网频率与转子的机械频率相互解藕，从而使得风电机组能够变速运行。发电机和变流器通过多个和一个过电流“跨接器(Crowbar)“进行保护。
DFIG系统可以通过定子和转子向电网传送功率，而转子还可以吸收功率，这取决于发电机的转速。如果发电机运行于超同步速，转子中的功率将通过变流器传送到电网；如果发电机运行于同步速以下，转子将通过变流器从电网吸收功率。

2.2最优风功率捕获控制
       DFIG的动态控制是通过功率变流器来实现的，该变流器使电网的电气频率与转子的机械转速解藕，从而实现变速运行(Ekanauyake 等，2003)。模拟控制方案为：转子侧变流器提供转矩控制以及端电压控制，或者提供整个系统额功率因数(PF)控制；而电网侧变流器控制直流链接的电压。在有些应用场合，网侧变流器被用来提供无功功率。控制方案目标是从风力中捕获最大功率。控制方案中，网侧变流器用来维持直流母线电压恒定，并为转子与交流系统之间的功率交换提供通路，且要求这种功率交换以单位功率因数进行(Pena等，1996； Holdsworth 等，2003)。
        图2 给出了典型的风力机特性，其中画出了最大捕获功率与转速之间的关系曲线， 它是每个风速下 点的连线。最大功率曲线 定义了最大风能捕获，而控制目标为在风速变化时保持风力机运行在此曲线上。
最大功率曲线 由下式确定(Pena等，1996； Holdsworth 等，2003)：
        或者  
        为电机的最优转矩
        为由风力及的空气动力学特性确定的常数(通常由风机生产商提供)。
        完整的发电机转矩-转速特性曲线如图2  (b)所示，该曲线被用作控制器的模型。对于最大功率捕获，转矩转速特性曲线由 给出，对应图中B-C段。在此运行范围内，风速从低速到中速，风力机可以捕获最大可能的功率。

       受功率变流器容量的限制，在任意风速下保持最大风能是不现实的。对于很低风速，要求风机运行在几乎恒定的转速下(A-B段)。旋转速度同时还经常受到空气动力噪声的限制，在这些点上，控制器允许转矩在转速几乎不变的条件下增加(C-D段)，直至到达额定转矩。如果风速进一步增大到超出风力机的额定转矩，控制器将控制风机运行在D-E段，保持电磁转矩恒定。当系统运行到E点后，桨距调节将取代转矩控制来限制气动输入功率。对于非常高的风速，桨距控制将调节输入功率直至达到停机风速。

2.3风力机仿真模型
       风力机是指风机主轴前轮毂系统，物理结构包括轮毂、桨叶、变桨系统。为了便于控制研究，风力机模型基于稳态建立，并且假定驱动链有足够硬度，系统摩擦系数和转动惯量计入了整个机组驱动链输出功率可以按下式进行计算： 

2.4全功率测试平台
       以全功率测试为设计理念，采用大功率变频器拖动异步电机方案来模拟风机轮毂、叶片系统，拖动整个风机机舱，实现整机全功率并网发电过程和试验数据存储、输出。
       由于定位为整机测试，测试台需要对整个机舱部分进行车间地面测试，如果变流器设计不在机舱，则需要在测试台旁边工位安放变流器。测试台采用变频器拖动异步电机加减速机方案来模拟实现风动力，通过变频器转矩和转速控制异步电机来模拟实现风力机特性，完成在不同风况下风力机转速、转矩、功率输出模拟。风力机模拟系统原理图如图4所示。

       模拟风力机系统采用万向联轴器与被测机主轴前沿联接，不同机组由不同的万向联轴器与之对应。宽转速范围的电动机、减速机可以满足不同机组额定转速的需求差异。 模拟风力机系统主要由运行于工控机上的HMI 软件、风力机仿真模型和 B&R  PLC、中压变频器、中压电动机、减速机组成。由于风机测试过程中需要实现电动机转速和转矩分阶段控制，风力机模拟系统可以通过减速机输出给风机主轴与实际风况相一致的转矩和转速。某公司MW测试台如图5 所示。

3. 全功率测试平台测试功能
       全功率功能测试平台主要用于机舱生产车间的出厂测试，主要功能包含风机主控制器、变换器、发电机、变桨系统的联合运行调试，包括系统在不同风速下的并网和脱网过程、变桨系统的动作测试等，而且能在可控的条件下实现风机机械性能和电气性能测试，保证整机出厂质量。
       能提供风机现场培训条件。
       能支持B&R、Beckhoff控制器的风机系统。

测试功能：
A、远程监控功能试验
      具有GB/T 19070-2003 7.2.4远程监控功能试验
(a) 远程通讯  (b) 远程启动  (c) 远程停机  (d) 远程偏航
B、 载荷测试包含如下内容
(1) 数据描述表格；
(2) 测量数据记录表；
(3) 时间序列曲线，包括风速状况，风力发电机组运行特性，叶片、风轮、塔架载荷；
C、电能品质测试
(a)长期测试内容包括：
(1) 有功功率与风速的关系；
(2) 无功功率与风速的关系；
(3) 有功与无功功率的对应关系曲线 ；
(4) 发电过程中电压的变化。
(b) 短期测试内容包括：
(1) 电压变化；
(2) 电流变化；
(3) 谐波；
(4) 标准要求的电压闪变和冲击电流本系统不作测试
D、声光报警
(a)声音报警    (b)灯光警示

4. B&R系统配置及方案特点
4.1试验平台系统配置说明
       试验平台系统监控包含大屏幕系统、4台操作柜、1台视频服务器、3台监控PC和X20CPU系统。大屏幕系统主要实现重要监测数据显示，厂内信息显示等。操作柜主要实现试验的手动操作、紧急停机、工作状态指示等。1台视频服务器主要负责现场重要工位及实验台的视频监视。3台监控PC主要负责整个测试平台的操作控制、数据显示记录的任务。X20CPU系统负责整个测试平台的逻辑程序控制以及仿真程序的运行，收集各个单元的I/0信号采集，以及与主控系统、变频器系统、3台监控PC的通讯任务。

4.2模拟仿真控制测试流程
       在机组测试时，所有测试操作均在测试监控系统内完成，包括试验台上电、断电，被测机组上电、断电，测试流程设置。系统控制结构框图如图7所示。
       监控系统完成了试验台所有设备的监控，包括配电柜、变频器、电动机及其水冷却系统、减速机、润滑油站、被测机组，同时提供4×2.5m LED 大屏显示，声光报警、6 个区域视频监控，试验流程控制功能。

       仿真试验测试流程如图8 所示，可以完成机组的所有测试项目。通过设置不同的测试启机方式和测试参数，可以完成不同的测试项目。

4.3模拟仿真实验数据

5. 效果反馈
       当前,上海电气的整机全功率试验测试平台已经投入使用，最高可满足 3.6MW海上风机整机试验测试。本文针对不同机型的机组，详细讲述了通用试验平台仿真建模方式的研发设计方案，最后提供了试验台研发设计结果。
       根据上海电气风电设备公司的反馈，通过整机全攻略实验平台的测试，极大地减少了现场故障率，减少风机风场调试时间，有效地控制了MW风机产品质量。
参考文献
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作者简介
牟仕雨 （1983~），男，江苏人，2006年7月毕业于江苏大学 机械工程学院测控技术与仪器，学士。2010年1月加入贝加莱，任技术工程师，从事风电行业、OEM项目的研究与开发。
陈昆明  (1983~)， 男 ，河北保定人，硕士，上海电气风电设备有限公司电气研发工程师，从事变流器研发设计。