大型风力发电机组主控测试系统研究

摘要：大型风力发电机组运行环境复杂多变，运行工况具有不可预测和不可重现性等，主控系统必须具备高可靠性、高动态性能等特点。构建了一种大型风电机组主控测试系统，该系统建立了风电机组模型，模拟风场运行环境，实现了机组运行工况再现，使测试和调试不受风的随机性、间歇性等特性的影响，并制定了相应测试方案，总结了测试注意事项。经验证，该测试系统有效解决了风力发电机组控制系统全面动态测试难题，保证了主控系统的高可靠和高动态性能，缺陷得到提前暴露，缩短了研发周期，减少了现场调试时间，提高了风电机组主控系统研发、出厂质量。 　　0引言 　　风力发电机组控制系统是国内风电设备中薄弱环节，风力发电机组测试及质量控制更是风电领域的难题，各个厂家风力发电机组控制差异大，相关IEC标准未得到实际采用，一致性测试无法开展，测试仅限于输入输出对点测试、全功率测试和现场调试，缺乏对主控系统全面测试手段和方法。若直接进入现场调试，成本高，易造成设备损坏；并且因风具有随机性、间歇性，无法在风场对风力发电机组进行全面实验，尤其是极限风况的实验。 　　目前一些研究院所搭建了测试平台，但是多是针对性试验系统，如针对性用于载荷计算、硬件测试或静态测试等，风电机组核心控制算法、策略等不能系统全面动态测试。如何建立一种全面动态的主控测试系统，提前暴露缺陷，方便测试和调试，保证风力发电机组安全稳定运行是迫切需要解决的问题。 　　1测试思路 　　风力发电机组主控系统需测试的功能主要有远程通信、桨距控制、温度控制、偏航控制、功率控制、状态转换等，测试时可依照功能模块先单步测试，然后进行连续测试。为了保证能够对主控系统进行测试的全面性、高效性，在测试中以现场运行需求为测试出发点，在白盒测试的基础上进行黑盒测试。测试将依据详细设计文档，保证编程的正确性；依据风力发电机组相关标准、厂家设计思路、现场经验等，保证功能不缺失，性能满足使用要求；使用行业通用的风力发电机组仿真软件进行工况测试，保证功率控制策略的可行与高效。 　　2测试系统的组成 　　本着模拟现场运行情况的原则，搭建测试系统，研制测试工具，使风力发电机组主控测试系统能够模拟现场工况，使得主控系统运行状态之间能顺利切换，可方便观测分析各种工况，模拟各种故障。 　　测试系统搭建如图1，由通信系统、模拟风机、风场监控系统、变流系统、外部风况模拟系统等组成。通信系统网路（长虚线部分）为主控对外接口网络，其主要通信接口有变桨系统、变流系统、风场监控系统等，通过该通信系统连接主控及物理或模拟系统；模拟风机系统可以模拟风机运行参数，使主控正常工作，动态检测其功能及性能。实线网络检测、分析各个接口信息是否正常，系统功能、性能是否正常等，是故障分析定位的网络，测试时的人机接口。短虚线代表主控需要和风力发电机组交互的信息。 　　用PT100、电流源、电压源、Blade及相关测试软件等组成模拟风机模拟风力发电机组的风轮、齿轮箱、发电机、冷却系统等。风力发电机组中温度测量常用PT100，在模拟温度类故障和控制功能测试时可使用电阻箱及普通电阻代替；风速、风向等传感器输出为电流信号，在测试过程中使用电流源代替，可方便模拟风向、风速等值的改变，完成测试；仿真变桨、变流、监控系统实际功能，并建立其与主控的通信，从而来检测主控系统功能和性能；测试系统搭建完成后应保证与主控系统之间通信正常，无故障激活，可通过监控软件观察。 　　测试系统还面临两个问题：风速一定时如何根据实际情况模拟桨距角变化时发电机转速的变化；发电运行状态桨距角、转矩变化时功率的变化。本系统利用行业内比较成熟的Blade软件，根据风力发电机组参数建立模拟风机模型，根据风速、风向、桨距角、转矩给出发电机转速和发电功率值。模拟风机模型主要模块及参数如表1所示，系统之间数据流动如图2所示。 　　测试时不但考虑恒定风速风况，更要考虑湍流等情况，对正常湍流模型，湍流标准偏差的代表值σ1，90%情况下由轮毂高度处的风速给出。对标准风机等级，这个值由下式给出： 　　式中：b=5.6m/s；Iref的值由表2给出。 　　表中：Iref表示在15m/s时湍流密度的期望值；Vref表示参考风速10min的平均值；A表示较高湍流特性级；B表示中等湍流特性级；C表示较低湍流特性级。 　　符合高斯分布的有一定方差的白噪声，通过karman滤波，得到在该风况下的karman湍流分布形状，再与一个该风况下的权值作乘积，得到湍流波动皱型。利用Blade软件生成国际规定风况的实际风速，如图3，Hub wind speed曲线即为Vhub=13m/s的湍流风，驱动图2所示的数据流，以此来检验使系统动态运行各项功能和指标。 　　3系统测试方案 　　系统搭建完成后，首先对系统间通信进行测试，如对变桨、变流上送信息进行变位，在监控软件和本机人机界面观察上送信息是否正确，并依照电气原理图纸对DI/AI信息进行验证；启动风力发电机组观察桨距角、转速是否变化，检验正常后，模拟各种工况，展开功能性测试。 　　依据IEC 61400-1规定工况，以及中国的风场现场经验进行工况模拟，如图4风力发电机组工况分类所示，在此基础上根据图5风力发电机组测试项目分类组织开展测试。现具体以测试第一项功能逻辑中的启动功能测试为例，说明风力发电机组不同湍流风速下控制系统能否正确控制机组启动，其他测试项目限于篇幅不再展开。 　　风力发电机组启动功能主要测试项目： 　　1）风力发电机组的各种启动方式是否有效，包括自动启动、面板人工启动、机舱柜人工启动和远程启动等。 　　在控制系统上电后，系统应对电网及系统安全链进行检测，在无故障情况下，使系统处于待机状态，此时只能手动启动（就地手动、远方手动）。 　　2）检测风力发电机组启动条件是否有效，这些条件包括系统压力、温度、风速、电网电压、频率等。 　　3）启动过程中发生故障时响应是否正确有效。 　　4）启动过程中其他控制如温控、泵控、偏航等是否能根据需要有效。 　　5）是否限制风力发电机组每天自动启动次数。 　　6）启动过程中发生风向变化对启动的影响。 　　7）额定风速以下风力发电机组启动过程，观测调桨、调速、调距等过程。 　　8）额定风速以上启动过程，观测调桨、调速、调矩等过程。 　　注：启动过程中调桨、调速、调矩等过程观测见图3湍流风况下风力发电机组启动过程，相应曲线。 　　4测试注意事项 　　主控系统功能测试完成后，应对需求分析文档进行测试，测试之前应制定详细测试项目，保证风力发电机组控制系统功能满足现场应用，具体可参考风力发电机组相关标准。 　　测试过程中应制定测试模板，避免因测试人员能力、测试人员状态的不同导致测试结果不同，保证测试质量。如表3为状态码测试模板，黑色字体为测试举例。 　　对测试过程中出现的问题要详细记录并进行跟踪，避免问题丢失、遗漏。因测试过程中会对程序进行适时修改，对修改后问题进行详细回归测试，保证已修改程序不会产生新的问题。测试过程中不应只输入合理条件，还需观察各种不合理条件下主控系统的处理措施，只有在实验中考虑的更全面，才能在现场调试中减少时间，降低成本。在测试完成后应对测试问题、功能文档进行整理，作为现场故障分析参考手册。 　　5测试项目验证 　　构建本测试系统，按照测试方案，目前已完成国家科技攻关重点项目3MW风力发电机组主控等系统全面动态测试验证，有效提前暴露了状态转换、启动、停机、通信、控制策略、算法等多方面的缺陷，如并网运行时功率控制跳变（见图6）、因系统间协调配合缺陷不能正常停机、故障监测不全面、停机时风机不能及时脱网、稳定风速下持续调桨幅度过大、状态码误激活、判据不合适、参数不合理、状态码激活后策略未分级、停机过程与文档不一致、不能识别与变桨通信中断、在高风速下不能发电运行等，风力发电机组主控系统得到了有效完善，通过修改完善这些缺陷，在室内研发阶段得到了解决，有效保证了风力发电机组稳定运行。 　　6结论 　　本测试系统的开发，能够对大型风力发电机组进行全面动态测试，经大型项目的实践，其能够实现如下目的： 　　1）把现场调试工作搬进了实验室，节约了大量测试成本； 　　2）使测试工作摆脱了自然风的各种限制，不再受风的随机性、间歇性、易受影响等特性的影响，节约了数倍的测试时间，缩短了产品的开发周期； 　　3）测试过程中发现问题，适时对控制程序进行更改，做到了在测试中完善产品的研发模式。 　　总之，本测试方法经大型项目的检验，能够有效发现系统的不足，做到程序化、标准化、科学化测试。（张举良，陶学军，贾晓杰，王兴安，周伟）