硬件在回路仿真在风电场控制中的应用-通用

刘大鹏，赵磊，张育

通用电气全球研发中心

上海市浦东新区张江高科技园区蔡伦路1800号，邮编201203

摘要：随着近些年来风力发电的快速增长，风力发电在电力系统中的比例不断增大，电网对

风场提出了更高的要求，风场控制系统的功能越来越复杂，给系统开发设计增加了进一步的难

度。为减少设计保守性、降低成本，对风场进行各种运行情况、故障模式进行全面、可靠的实

时仿真变得越发重要。本文讨论了由通用电气全球研究中心和通用电气风能共同开发的硬件在

回路仿真系统。该系统采用先进的硬件平台及仿真软件，可对风场各系统进行全面实时仿真。

对风场管理系统控制器的输入输出点及通讯均得到实时模拟，对控制系统而言，就如同在控制

一个风场。该硬件在回路仿真系统可作为风场管理系统的设计和测试平台，来实时仿真各种正

常运行模式及故障模式。

关键词：风力发电，硬件在回路，仿真

0 引言 (Dapeng)

尽管风能仍只占世界电力供应的很小一部分,在过去五年内，风能以年均30％的增长速度，成为发展最快的一种能源。到2002年底，全球风能市场将达30,000MW[1]。伴随风能市场的发展，大型风力发电机和大型风场逐渐成为一个技术发展方向[2]。在大型风机的发展过程中，不仅机械部件变得越发复杂，相应的电气系统及风机控制系统也在不断的发展[3]。另一方面，风场的容量也在不断增大，风电容量在系统中所占比例也越来越大，如德国。。丹麦。。电网公司和供电公司也对风电场的运行提出新的要求和规范，如有功功率爬坡率控制，减出力，接入点电压控制等等。这一方面需要风场控制管理系统。。同时也需要风机控制。。。

随着风场容量的扩大和电网公司日益增多的要求和规范的发展，风场管理控制系统的复杂程度也日益增加，这使得对其进行闭环性能和可靠性的验证和测试具有很大的挑战性。为在不增加系统发生故障的风险的前提下，减少系统设计的保守性，降低成本，制造商需要一种较之早期使用的简单方法更有效且更少保守的辅助设计、仿真方法。为减少风机设计风险，完善的仿真平台需包含对风电场内各子系统的准确描述：风力数据、风机及其控制系统、风场馈线，变压器，并联补偿以及电网等。

近些年来，风机和风场特性的计算机仿真发展迅速，已可被用来有效地辅助风机控制器的设计和评估[5]。有些风机仿真模型可提供较为详细、可靠的空气动力学模型、风场模型，并使控制器在一定可信度内得到验证。

然而，这些离线仿真平台并不适合实时运行状态模拟，如停车、断网、阵风冲击、风向变化，它们也不能被方便地配置以用作故障模式分析，如安全系统故障、控制系统故障、故障后停车等。另一方面，随着控制系统日趋复杂，特别是变速运行的近一步普及，控制算法的设计及实施对仿真系统的实时性、灵活性提出更高的要求。另外，计算机仿真时用来模拟风机和控制系统所用的平台（Matlab/Simulink, PSCAD, PSLF）与实际用于风场管理系统嵌入系统所用的代码平台的差距可能是巨大的，这使得设计工程师很难完相信离线仿真的结果，而不得不采取有所保留的态度。现有的离线仿真工具很难满足上述各种要求。

硬件在回路仿真技术在这类情况下就成为一种有力的工具，它能“欺骗”被测的嵌入式控制器，让它认为工作在真实的输入输出环境中，而且是实时的。风场硬件在回路仿真系统可以为风场管理系统模拟出一个正在工作中的风场，风场管理系统能够通过对风场内的一些控制系统和发送命令给风机控制风场的出力，调节电压等，同时也能采样并监控各种关键参数。图2所示的框图对风机控制器在真实现场工作和在硬件在回路仿真环境下工作进行了比较。

从功能角度看，硬件在回路仿真系统主要由二部分构成。一是硬件（也称为计算引擎）和用来满足模型计算的相关软件，它能够计算出风场对风场管理系统当前及历史上所发出指令的响应。第二个功能单元是用来为嵌入式控制器建立起正确连接（包括输入输出配置和通讯链路）的软件和硬件。硬件在回路仿真系统中，传统的做法是将模型计算的结果，如电压功率等，转换成模拟量，再反馈给嵌入式控制器；除此，还有很多数字状态量需要更新并反馈给控制系统。目前的发展趋势是在设备之间建立现场通讯连接，包括RS-422、CAN总线、专用的光纤连接或是其它，用现场通讯协议来替代至少是部分的输入输出点（模拟或数字），以提高系统兼容性和可靠性。这样，为了能模拟被仿真的真实部件，就需要开发软件协议栈与相应的底层硬件驱动程序，以实现仿真的通讯接口。所以，为了能快速地在风力发电市场上提供新的产品，要求硬件在回路仿真系统平台能提供一个开放式的输入输出和通讯的解决方案，并尽可能利用各种成熟的商业化硬件产品。

基于以上分析，本文提出了一种硬件在回路仿真系统来描绘实际的风机和风场系统各个方面。该硬件在回路仿真系统运行在实时状态，能提供闭环控制器及监控系统所需的完整测试及优化。无需对控制算法进行任何改动，该系统能实时仿真所有的输入输出点。对风场管理系统，就如同在运行一个真实的风场。采用这种硬件在回路仿真系统，风场正常运行模式、单个或多个故障模式均可被准确模拟。任何新控制算法也可嵌入其中并得到及时、完整的测试，以保证其有效性及可靠性。本文结构如下。第二节讨论了该实时系统的设计思路，第三节描述了平台选择及系统设计，第四节给出了结论。

1平台选择和仿真系统设计(Dapeng)

GE风能是GE动力系统集团的一部分，在全球已经出售了多达5600台风机，装机总容量超过3200MW。GE风能目前的主流风机产品有1.5MW，2.XMW以及最新的3.2MW和3.6MW 近海系列。GE风能的所有系列风机都设计有偏航和变桨调节--控制输出 / 力矩能力。变速恒频技术（VSCF）可以输出 / 力矩的偏移，降低塔架的震动，增加电能输出，降低负载和操作费用。GE的风场关理系统(WFMS)是风场级的控制系统，风场管理系统可以进行快速的无功调节(WindVAR)维持风场接入点的电压，有功减出力及有功爬坡控制等等。风场管理系统还通过数字及模拟输入输出对风场内进行广泛的监控，还可接受来自电网调度的指令，如电压给定，功率因素给定值等。通过对风场内所有风机的无功及有功的协制，可以有效地提供稳定高效的风场电能

针对GE风场管理系统对硬件在回路仿真系统多方面的设计要求，GE的研发队伍进行了详尽的研究。如前指出，系统软硬件架构的开放性和可升级性是两个主要的要求。经过一定的重新配置和设计，系统应能够适用于当前和将来不同风场管理系统的输入输出配置和通讯链路；应能在需要对系统更多的部件以及更详细模型的动态仿真时方便地进行升级。为此，仿真平台应能支持基于网络或母板的分布式计算，而这对用户而言应是透明的。软件应基于一种已被工业界证明了的实时操作系统（RTOS）来进行模型计算和各种输入输出/通讯和日常任务的实时调度。此外，在工业级产品设计时，仿真平台的实时性、价格、测试自动化能力都应是选择平台时需要考虑的因素。

五种通用HITL商业化的平台被选为风机控制HITL仿真器的候选平台：

・背靠背PLC控制器方案（专用架构）；

・ xPC Target（Mathworks公司）；

・Real-Time Window Target（Mathworks公司）；

・ dSPACE（dSPACE公司）；

・ RT-LAB（Opal-RT公司）。

通过对基于五种平台的不同解决方案系统地考察和各种性能指标的测试，Opal-RT公司的RT-LAB成为最适合本风机硬件在回路仿真系统应用的平台。

Opal-RT在实时动态仿真技术领域是市场的领先者之一。RT-LAB使用开放式的架构，工程师可方便地使用Matlab / Simulink或MATRIXx / SystemBuild图形化建模工具构建系统模型，使用RT-LAB对该模型进行实时仿真。Opal-RT可为仿真、控制、测试和相关的应用提供软件平台及系统。RT-LAB基于商用PC进行分布式并行计算，利用QNX实时操作系统完成仿真结点上的任务之间、主机和仿真结点之间及仿真结点之间的任务调度。由于采用了商业化的现成部件，RT-LAB可以充分利用快速发展的PC技术、越来越快的CPU运算能力和不断降低的费用。RT-LAB对大量厂商（如National Instruments）的模拟和数字输入输出硬件提供支持，实现实时仿真与实物控制器连接从而进行在回路仿真系统仿真[8]。对于一些特殊应用中的接口，如在航空业和电气领域中常用的CANBus、RS422或ARINC、CSDB和MIL-1553等，RT-LAB也提供了很好的支持。

仿真系统都采用Pentium® IV处理器的工业PC，可以对多至100台风机规模的风场作实时的仿真，仿真模型包括风机和风场内的其他设备以及简化的电网，还包括风场管理系统的输入输出和网络仿真。系统还配备了CAN通讯接口以仿真风场电气测量设备与风场管理系统间的通讯。为了研究超大型风场，或使用详细的风机模型，或仿真详细的电网，计算量超过单台PC的计算能力而使仿真无法满足实时时，仿真系统可以方便地扩展为多台PC，PC 之间通过IEEE 1394接口互联以实现分布式计算。图4为一台组装好的风场硬件在回路仿真系统的实物照片。硬件在回路仿真系统的实时性及可靠性都得到了验证。图5举例显示了实时仿真所得的xxxxx。

2风场模型的(lei)

由于风电场控制器的控制周期一般为0.2-0.5秒，时间常数通常为5-10秒，对应的过程属于机电暂态和长期动态行为范畴，所以仅需要正序基波分量模型。

我们把风电场仿真的模型分成三部分：风机，风电场和电网。

风机采用电流源模型，输入是风力数据，机端电压和风电场控制器的指令。风力数据需要预先给定，机端电压从风电场模型计算后反馈得到，风电场控制器的指令则直接由实际的硬件控制器（PLC）给出。

如图所示，风机模型包含3个主要的功能块：

1，风轮和风机控制器，包括机械控制，迎角控制，转矩控制，风轮传动系统。风机的机械部分模型全部由这个功能块实现。该功能块接受机端的功率和无功数值，并给出功率指令给发电机控制系统。

2，发电机控制系统，包括闭环和开环无功控制。该功能块接受功率指令，发出励磁指令给励磁系统。

3，发电机和励磁系统。该功能块接受励磁指令，由发电机模型得到电流源的输出电流，输入电网，并以此可以计算得到有功、无功功率和机端电压。

Nicholas W. Miller, Juan J. Sanchez-Gasca, William W. Price, Robert W. Delmerico, Dynamic Modeling of GE 1.5 and 3.6 MW Wind Turbine Generators for Stability Simulation

风电场的组成包括：单元变压器，馈线集线系统，主变压器，电网接入联络线。这些部件都可以采用电力系统元件模型，目前采用单线（三相对称）模型。

电网的模型则与传统的电力系统模型没有差别。根据实际情况，可选用单机无穷大母线模型或者多机系统模型。发电机可选用经典二阶模型或高阶模型，为电压源模型。负荷模型采用多项式模型。由于是风电场的仿真，所以对负荷模型的保真程度要求并不高。电网中采用的HVDC及其他FACTS装置模型可参见相关文献。

下图为一个两风机系统的模型结构。

在仿真中，由零时刻的风力计算得到风机的功率，然后将风机作为PV节点带入潮流计算，得到整个风电场和电网的稳定状态。以这个稳定状态为初值，开始仿真。仿真的每一步，风机和发电机则由各自的模块计算得到注入电流和电压。风电场和电网的输变电部分受电网潮流的约束，通过解一组代数方程得到。

3仿真结果(lei)

我们以前示的两风机系统为实验系统。在风力变化的情况下，仿真的结果如下图

另一个测试例，在联络线接入电网处施加A相接地短路，持续时间0.04秒。然后该回线路被切除。仿真结果如下。

结论与展望(Dapeng)

随着近些年来风力发电的快速增长，风力发电在电力系统中的比例不断增大，电网对风场提出了更高的要求，风场控制系统的功能越来越复杂，给系统开发设计增加了进一步的难度。为减少设计保守性、降低成本，对风场进行各种运行情况、故障模式进行全面、可靠的实时仿真变得越发重要。本文讨论了由通用电气全球研究中心和通用电气风能共同开发的硬件在回路仿真系统。该系统采用先进的硬件平台及仿真软件，可对风场各系统进行全面实时仿真。所有的输入输出点均得到实时模拟，对风场管理系统而言，就如同在控制一个真实的风场。该硬件在回路仿真系统运行在实时状态，能提供闭环控制器及监控系统所需的完整测试及优化。无需对控制算法进行任何改动，该系统能实时仿真所有的输入输出点。采用这种硬件在回路仿真系统，风场正常运行模式、单个或多个故障模式均可被准确模拟。任何新控制算法也可嵌入其中并得到及时、完整的测试，以保证其有效性及可靠性。

主要参考文献目录

1.作者，书名，出版社，出版时间

2.作者，书名，出版社，出版时间

3.作者，书名，出版社，出版时间

联系方式：

联系人 XXXXXX

联系电话 XXXXXXXX

传真 XXXXXXXX

E-mail XXXXXXXXXXX

通信地址 XXXXXXXXXXXXXXXX

邮政编码 XXXXXXX