基于ADS通讯的风电控制算法仿真
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摘 要 近年来风力发电机组不断巨型化，变速变桨风力发电机组应用最为广泛，进而对变速变桨整机运行的稳定性、可靠性提出了更高要求。文章采用权威风力发电机组仿真软件GH bladed获取风力发电机组的数学模型，通过ADS通讯协议，实现风电机组的数学模型与PLC的实时数据交换，形成系统的闭环仿真，验证控制策略对风机变桨、变速控制的稳定性、可靠性。文章将风机的控制算法直接运行在PLC中，采用ADS通讯协议，与Bladed软件中的风机模型直接进行数据交换，实现控制算法与模型的闭环实时仿真。
关键词 Bladed模型；ADS通讯；风电控制算法
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0198-03
1 设计中心思想
大型风力发电机组是一个连续随机的非线性多变量系统，直接模型建立比较困难。通常风机技术人员采用GH bladed软件对风机进行建模，同时运用C，C++等高级语言编写控制算法，在运行bladed软件时加载外部控制算法文件，然后给变速风力发电机组风力机输入模拟变速风速进行仿真研究。这种方法，要求风机控制开发人员具有一定的高级语言编程能力，更要求工作人员有较高的调试水平。本文采用ADS通讯协议的硬件闭环仿真方法建立了完整的仿真模型，并且简化了风机现场调试阶段对PID控制参数的整定过程，该系统的整体设计如图1所示。
1.1 GH Bladed软件
GH Bladed软件的功能如下：①提供多种外部控制器接口，可以使用户自定义*.dll或*.exe文件；②提供多种电网连接模型，可以模拟各种风况、外界环境等；③软件功能强大：可以进行模态分析、稳态性能和载荷计算、各种工况下的时域动态载荷和响应等等的分析；④完善的硬件测试模块，通过物理接口，对控制器硬件和其他执行机构的硬件进行测试和试运行。
Bladed软件共提供了13个部分的相关选项，其中参数设置分为风机参数和外部环境参数二部分。在进行闭环仿真之前需要对风机进行建模，同时设置相应的仿真参数，通过调用、自定义或修改模型参数后，选择计算内容并进行计算，之后通过数据观察分析进行数据处理。
1.2 Hardware Test
在采用GH bladed软件对风机进行建模时通过Control选项按钮加载外部控制算法文件，通过Bladed软件的Wind选项建立不同的风速模型，然后给变速风力发电机组风力机输入模拟变速风速进行仿真研究。同时，通过软件Hardware TEST选项可进行风机控制系统的硬件闭环仿真，Hardware Test包含了计算和仿真两部分，通过系统的批处理任务对仿真结果进行统计处理、图表输出。通过图表输出可以直观的对控制算法的稳态性能和动态响应特性进行分析。本文采用GH Bladed软件提供的2MW双馈异步风机为模型进行系统的硬件闭环系统仿真。
1.3 ADS通讯协议说明
ADS（Automation Device Specification）即自动化设备规范，它为设备之间的通讯提供路由。在整个仿真系统中，各个软件模块，如PLC、在Windows操作系统上运行的GH Bladed应用程序等的工作模式类似于硬件设备，它们能够独立工作。各个软件模块之间的信息交换通过ADS完成。在PC和PLC控制器中都包含信息路由器，因此各个ADS设备之间都能够交换数据和信息。
2 风机整体控制策略设计
本文采用变桨变速控制，将整个过程分为额定风速以下和额定风速以上两个部分，采用扭矩控制和变桨控制耦合的方式，即在额定风速以上到达拐点时，如果风速波动很大，那么就要通过适当的变桨来实现平滑的过渡。本文中重点讨论在额定风速以上阶段，变速和变桨控制器同时发挥作用，通过变速即控制发电机的扭矩使其恒定，从而恒定功率。通过变桨来调整发电机的转速，使得其始终跟踪转速设置点。
变速变桨控制结构如图2所示，在变速（扭矩）控制中，输入参数为发电机实际转速以及目标转速（目标转速根据发电机的不同状态进行设定），输出为发电机扭矩指令；在变桨控制（耦合了变速控制）中，输入为扭矩指令（由变速控制得到）和实际桨距角，输出为变桨系统桨距角。
图2 变速变桨风机控制策略框图
对于风机主控PLC的功能主要体现在以下几个方面：①与机舱柜通讯，接收机舱信号，并根据实际情况进行判断发出偏航或液压站工作信号；②与3个变桨柜进行通讯，接收变桨控制器的信号，对变桨系统发送实时的控制信号控制桨叶动作；③与变流系统通讯，根据不同的风况对变流系统输出扭矩要求，使发电机输出功率保持最佳；④与中央监控系统通讯，传递本机信息，并接收远程指令。
通常PLC作为风机的核心控制单元，除了对风机各种运行状态的监控外，还需通过核心的控制算法对变桨系统和变流系统进行数据交换，实时控制发电机的转速，保证风机安全高效运行。因此，本文将前面提到的控制算法采用ST高级文本结构语言将变速变桨控制策略固化到PLC硬件中，结合GH Bladed提供的风机模型和ADS通讯接口插件，实现整个系统的闭环仿真。
本文通过Bladed软件模拟出风力发电机环境，对本文中的风力发电机组的变速变桨性能进行测试。为了验证风力发电机仿真模型对风速变化的动态相应，取渐变风作为风力发电机仿真模型风速的输入值。渐变风分别取5～10米/秒渐变和10～23米/秒渐变。通过设置相应的参数可以直接接入硬件设备进行控制。该仿真系统，验证了在不同工况下控制软件流程的正确性。仿真图形如图3～图6所示。
1）额定风速以下：
图3 额定风速以下的风速模型
图4 额定风速以下仿真系统运行结果
对于变速风力发电机而言，在额定风速以下通过变流器可以控制发电机的电磁转矩，以实现对风力机的转速控制。通过对主控PLC输出的最小和最大发电机扭矩值的限定可以对发电机的电磁转矩进行限制。在图4所示湍流风条件下，在扭矩控制中，输入为发电机实际转速和希望转速（最大允许转速为额定转速），输出为发电机转矩，并由转速和转矩计算发电机当前给定的功率值，通过ADS通讯对GH Bladed中的风机模型进行转速控制。从仿真结果图形中我们可以看出，风机的桨距角始终处于桨距角的下限值0.2度，发电机的电磁转矩随着风速的变化而变化，实现了对风能最大捕获的控制。
2）额定风速以上：
图5 额定风速以上的风速模型
图6 额定风速以上仿真系统运行结果
为了满足风机稳定性、降低载荷等要求，延长风机寿命、提高发电质量，需要不断的优化转矩PI控制的和桨距角PI控制的控制参数，同时兼顾发电机在额定转速到满功率过度阶段的耦合关系，使用功率波动更小，且轮毂及塔架所受力矩的波动也减小。在图6所示湍流风条件下，本文所采用的硬件闭环仿真方法通过对PLC控制器中的控制参数不断调整和优化，均能将发电机转速控制在额定转速附件，同时输出功率控制在额定功率2.0 MW附近。
4 结束语
本文设计了基于ADS通讯的硬件闭环控制仿真系统，通过GH Bladed软件建立了2 MW的风力发电机数学模型，设计了风机变速变桨控制算法，并把算法固化在PLC硬件中，并把PLC子模块连接到GH Bladed风力发电机仿真模型中，通过GH Bladed软件中Hardware Test 功能模块得出算法的仿真计算结果，验证设计的风力发电机仿真模型和控制算法的有效性和正确性。在仿真过程中，通过输入不同大小不断变化的风速值，在高于额定风速时进而使输出的功率保持在一个额定功率，在低于额定风速实现风能最大功率追踪控制，仿真过程通过反复调试并整定控制器的参数，使控制器的控制性能达到最优化。
参考文献
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作者简介
姜攀（1982-），女，山东烟台人，助讲，研究生，研究方向：供用电技术、风电控制。