模擬風電機組運行的仿真方法和風電機組的plc系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種在風電機組的PLC系統中模擬風電機組運行的仿真方法，所述仿真方法包括：第一仿真單元模擬風電機組在第一運行模式下的狀態信息，并對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換，以便PLC系統根據轉換的結果切換至另一運行模式；如果PLC系統切換的另一運行模式是第二運行模式，則第二仿真單元模擬風電機組在第二運行模式下的狀態信息。采用本發明所述仿真方法不僅能夠實現風電機組的實時仿真，還能夠進一步提高風電機組仿真的置信精度。
【專利說明】模擬風電機組運行的仿真方法和風電機組的PLC系統
【技術領域】
[0001]本申請涉及風力發電風電機組【技術領域】，尤其涉及一種在風電機組的PLC系統中模擬風電機組運行的仿真方法和風電機組的PLC系統。
【背景技術】
[0002]目前，大型風力發電機組都是強非線性剛柔耦合的周期時變多體系統，其結構和運動關系復雜，因此在風電機組的樣機運行以前必須進行充分的仿真測試，以避免潛在的風險。但是現有的軟件仿真技術大部分都是非實時仿真，其仿真的置信精度無法保證機組軟/硬件子系統的安全可靠性。另外，在現有技術中多將風力發電風電機組系統與仿真平臺分成兩個獨立的系統，中間以下位機或通訊模塊連接，需要進行復雜的通信協議涉及才可搭建繁雜的風力發電風電機組仿真平臺。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種在風電機組的PLC系統中模擬風電機組運行的仿真方法。采用本發明所述仿真方法不僅能夠在不依靠硬件的情況下實現風電機組的實時仿真，降低仿真平臺的搭建成本，同時還能夠進一步提高風電機組仿真的置信精度，以避免潛在的危險。
[0004]據本發明的一方面，提供一種在風電機組的PLC系統中模擬風電機組運行的仿真方法，所述仿真方法包括:第一仿真單元模擬風電機組在第一運行模式下的狀態信息，并對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換，以便PLC系統根據轉換的結果切換至另一運行模式；如果PLC系統切換的另一運行模式是第二運行模式，則第二仿真單元模擬風電機組在第二運行模式下的狀態信息。
[0005]優選地，所述對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換的具體步驟為:通過PLC系統的LREAL_T0_INT接口對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換。
[0006]優選地，第一運行模式或第二運行模式分別為以下運行模式之一:待機模式、啟動模式、加速模式、發電模式、停機模式。
[0007]優選地，當第二運行模式為發電模式時，所述第二仿真單元模擬風電機組在第二運行模式下的狀態信息的具體步驟為:所述第二仿真單元根據風電機組的機組功率系數、機械特性方程、周圍的環境信息以及PLC系統給定的扭矩和槳距角，模擬風電機組在發電模式下的轉速、響應的扭矩和槳距角。
[0008]優選地，所述第一仿真單元和/或第二仿真單元為在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型。
[0009]優選地，所述在Simul ink環境中構建的風電機組的機械模型的仿真步長與PLC系統的主控PLC同步。
[0010]據本發明的另一方面，提供一種風電機組的PLC系統，包括:第一仿真單元，用于模擬風電機組在第一運行模式下的狀態信息，并對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換；主控PLC，用于對逆邏輯轉換后的信息進行邏輯轉換，以便根據轉換的結果切換至另一運行模式；第二仿真單元，用于如果切換的另一運行模式是第二運行模式，則模擬風電機組在第二運行模式下的狀態信息。
[0011]優選地，所述第二仿真單元，用于當第二運行模式為發電模式時，根據風電機組的機組功率系數、機械特性方程、周圍的環境信息以及PLC系統給定的扭矩和槳距角，模擬風電機組在發電模式下的轉速、響應的扭矩和槳距角。
[0012]優選地，所述第一仿真單元和/或第二仿真單元為在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型。
[0013]優選地，所述在Simul ink環境中構建的風電機組的機械模型的仿真步長與PLC系統的主控PLC同步。
[0014]有益效果
[0015]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0016]本發明所述仿真方法不僅能夠在不依靠硬件的情況下實現風電機組的實時仿真，而且還能夠進一步提高風電機組仿真的置信精度，另外，還有效降低仿真平臺的搭建成本，避免了潛在的危險。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]通過下面結合附圖進行的描述，本發明的上述和其他目的和特點將會變得更加清楚，其中:
[0018]圖1是示出根據本發明的示例性實施例的包含仿真單元的風電機組的PLC系統的結構示意圖；
[0019]圖2是示出根據本發明的示例性實施例的在風電機組的PLC系統中模擬風電機組運行的仿真方法的流程圖；
[0020]圖3是示出根據本發明的示例性實施例的在風電機組的PLC系統中對模擬的狀態信息進行數據轉換的流程圖。
【具體實施方式】
[0021]以下，將參照附圖來詳細說明本發明的實施例。
[0022]本發明的主要構思是,在風電機組的PLC(Programmable Logic Controller,即可編程邏輯控制器)系統中添加多個獨立的仿真程序，分別模擬風電機組在指定運行模式下的狀態信息，此外，為進一步提高風電機組仿真的置信精度，還可以將在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型移植到風電機組的PLC系統中作為獨立的仿真程序模擬風電機組在指定運行模式下的狀態信息。具體實施時，可將這些獨立的仿真程序分別下載并集成至風電機組的PLC系統中，用以現場真實的風電機組。
[0023]圖1是示出了包含本發明仿真單元的風電機組的PLC系統的結構示意圖。從圖中可以看出，本發明的第一仿真單元101被集成至圖1所示的PLC系統104中，并與圖中PLC系統的主控PLC軟件(以下簡稱主控PLC) 103進行數據交互，用以模擬風電機組在第一運行模式下的狀態信息，此外，本發明的第二仿真單元102被集成至圖1所示的PLC系統104中，并與圖中PLC系統的主控PLC103進行數據交互，用以模擬風電機組在第二運行模式下的狀態信息，從而實現風電機組在不同運行模式下的運行。
[0024]圖2示出了本發明一種在風電機組的PLC系統中模擬風電機組運行的仿真方法的優選實施例的流程圖。
[0025]參照圖2，在210中，第一仿真單元模擬風電機組在第一運行模式下的狀態信息，并對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換，以便PLC系統根據轉換的結果切換至另一運行模式。
[0026]其中，模擬的狀態信息可以是風電機組在運行過程中的各種信息，例如，風電機組運行的轉速、響應的扭矩和槳矩角等，也可以是風電機組周圍輸入的各種環境信息，例如，溫度、濕度、風信號、波浪、空氣密度等，對此本發明不作限制，只要模擬的狀態信息能反映風電機組當前的運行狀態及周圍的環境信息，則均可應用于本發明。
[0027]為實現仿真單元和PLC系統之間的數據交互，在210中，第一仿真單元對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換，以便PLC系統根據轉換的結果切換至另一運行模式。
[0028]根據本發明的一個示例性實施例，仿真裝置對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換的具體步驟為:仿真裝置通過PLC系統的LREAL_T0_INT接口對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換。
[0029]需要指出的是，由于不同PLC系統的逆邏輯轉換的函數接口會略有不同，因此本發明給出的LREAL_T0_INT接口僅僅只是示例性的，事實上本發明并不受限于此，只要能夠對仿真單元模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換，則均可應用于本發明。
[0030]以下結合具體的實施例，對逆邏輯轉換的過程作進一步的說明。
[0031]圖3示出了本發明在風電機組的PLC系統中對模擬的狀態信息進行數據轉換的流程圖。
[0032]參照圖3，在310中，仿真裝置對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換。
[0033]根據本發明模擬信息為溫度的示例性實施例，仿真裝置可通過PLC系統的逆邏輯轉換的接口函數:
[0034]LREAL_T0_INT(10*sim_temperature_nacelle)
[0035]對模擬的溫度sim_temperature_nacelle:20.0°C進行數據轉換,相應的數據轉換結果為 profi_in_temperature_nacelle:2#0000000011001000o
[0036]在320中，PLC系統的主控PLC獲取逆邏輯轉換的結果，并對獲取的轉換結果繼續進行邏輯轉換。根據本發明模擬信息為溫度的示例性實施例，主控PLC可通過PLC系統的邏輯轉換的接口函數:
[0037]INT_T0_REAL(profi_in_temperature_nacelle)*0.1
[0038]對溫度的轉換結果profi_in_temperature_nacelle:2#0000000011001000 進行數據還原，相應的數據還原結果為nacelle_temperature:20.0°C,即仿真單元在PLC系統中模擬的溫度值。
[0039]可以看出，仿真單元模擬的各種狀態信息均可按照前面所述的逆邏輯轉換方法進行轉換，以便PLC系統的主控PLC獲得仿真單元模擬的各種狀態信息。
[0040]當風電機組的各種狀態信息滿足PLC系統中預設的各種運行模式的切換條件時，PLC系統將切換至相應的運行模式，并通知風電機組切換至相應的運行模式。利用這一特點，仿真單元可將模擬的各種狀態信息通過上述逆邏輯轉換方法傳遞給主控PLC，當模擬的各種狀態信息滿足PLC系統中預設的各種運行模式的切換條件時，PLC系統將切換至相應的運行模式，并通過主控PLC和仿真單元之間預設的全局變量通知仿真單元切換至相應的運行模式。例如，當PLC系統的主控PLC的運行模式的全局變量main_loop_mode_number=5時，則PLC系統切換至發電模式，并通過該變量通知相應的仿真單元模擬發電模式下的狀態息。
[0041]在220中，如果PLC系統切換的另一運行模式是第二運行模式，則第二仿真單元模擬風電機組在第二運行模式下的狀態信息。
[0042]需要說明的是，第一運行模式和第二運行模式分別為風電機組在運行過程中兩個不同的運行模式，也就是說，當第一仿真單元在第一運行模式下模擬的狀態信息滿足PLC切換至第二運行模式的條件時，第二仿真單元模擬風電機組在第二運行模式下的狀態信息。根據本發明的一個示例性實施例，第一運行模式可以為以下運行模式之一:待機模式、啟動模式、加速模式、發電模式、停機模式；相應地，第二運行模式也可以為以下運行模式之一:待機模式、啟動模式、加速模式、發電模式、停機模式。
[0043]但是，由于不同型號的風機對應的運行模式會略有不同，因此第二運行模式還可以是上述模式以外的其它運行模式(如:緊急停機模式等)，因此本發明并不受限于上述運行模式，只要是風電機組的運行模式，均可應用于本發明。
[0044]應該理解的是，前面所述的各種實施過程同樣適用于第二仿真單元，因此第二仿真單元同樣可以按照前面所述的方法將風電機組在第二運行模式下模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換后傳遞給PLC系統，以便PLC系統根據轉換的結果切換運行模式。
[0045]由于實際風電機組在發電模式下的輸入為風電機組周圍的環境信息(如:風速、波浪)以及主控PLC的給定需求值，其輸出為響應的扭矩、槳距角以及有動力學特性決定的轉速、功率。根據本發明第二運行模式為發電模式的一個示例性實施例，所述第二仿真單元根據風電機組的機組功率系數、機械特性方程、周圍的環境信息以及PLC系統給定的扭矩和槳距角，模擬風電機組發電的轉速、響應的扭矩和槳距角。除此之外，第二仿真單元還可以模擬風電機組在其他運行模式下的狀態信息。
[0046]考慮到Simulink環境構建的模型具有強大的數據處理和建模能力，而發電模式下，仿真單元需要構建的機械模型以及涉及到的數據處理量是所有待模擬的運行模式中最多的，因此可以將風電機組的部分重要的運行模式分配給Simulink構建的模型來完成，也可以將風電機組所有的運行模式都分配給Simulink構建的模型來完成，對此本發明不作限制，只要有助于仿真單元模擬風電機組在各個運行模式下的狀態信息，則均可應用于本發明。
[0047]具體地，根據本發明的一個示例性實施例，第一仿真單元為在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型。具體實施時，可根據PLC系統的主控PLC提供的Simulink接口，將在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型作為真程序移植到PLC系統中。
[0048]根據本發明的另一示例性實施例，第二仿真單元為在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型。
[0049]具體實施時，可單獨實施上述兩個示例性實施例的任意一種方法，也可以將上述兩個示例性實施例組合在一起實施。
[0050]為了使得在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型能夠按照PLC系統的主控PLC的任務周期執行，根據本發明的一個示例性實施例，在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型的仿真步長與PLC系統的主控PLC同步。
[0051]從上述實施過程中可以看出，通過將Simulink環境中構建的風電機組的機械模型移植到PLC系統中，不僅可以模擬風電機組的部分或者全部的運行模式，實現風電機組的實時仿真，同時還能夠提高風電機組的仿真置信精度。
[0052]為模擬出風電機組完整的運行過程，根據本發明的另一可選實施例，在圖2所示的實施例中，所述仿真方法還包括:如果PLC系統切換的另一運行模式不是第二運行模式，則由第一仿真單元模擬風電機組在另一運行模式下的狀態信息。
[0053]此外，圖2還示出了一種包含本發明仿真單元的風電機組的PLC系統的結構示意圖。
[0054]參照圖2，PLC系統104至少包括第一仿真單元101、第二仿真單元102以及主控PLC103。
[0055]其中，第一仿真單元101，用于模擬風電機組在第一運行模式下的狀態信息，并對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換。
[0056]主控PLC103，用于對逆邏輯轉換后的信息進行邏輯轉換，以便根據轉換的結果切換至另一運行模式。
[0057]第二仿真單元102，用于如果切換的另一運行模式是第二運行模式，則模擬風電機組在第二運行模式下的狀態信息。
[0058]由于實際風電機組在發電模式下的輸入為風電機組周圍的環境信息(如:風速、波浪)以及主控PLC的給定需求值，其輸出為響應的扭矩、槳距角以及有動力學特性決定的轉速、功率。根據本發明第二運行模式為發電模式的一個示例性實施例，第二仿真單元102根據風電機組的機組功率系數、機械特性方程、周圍的環境信息以及PLC系統給定的扭矩和槳距角，模擬風電機組發電的轉速、響應的扭矩和槳距角。除此之外，第二仿真單元102還可以模擬風電機組在其他運行模式下的狀態信息。
[0059]考慮到Simulink環境構建的模型具有強大的數據處理和建模能力，而發電模式下，仿真單元需要構建的機械模型以及涉及到的數據處理量是所有待模擬的運行模式中最多的，因此可以將風電機組的部分重要的運行模式分配給Simulink構建的模型來完成，也可以將風電機組所有的運行模式都分配給Simulink構建的模型來完成，對此本發明不作限制，只要有助于仿真單元模擬風電機組在各個運行模式下的狀態信息，則均可應用于本發明。
[0060]具體地，根據本發明的一個示例性實施例，第一仿真單元101為在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型。具體實施時，可根據PLC系統的主控PLC提供的Simulink接口，將在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型作為真程序移植到PLC系統中。
[0061]根據本發明的另一示例性實施例，第二仿真單元102為在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型。
[0062]具體實施時，可單獨實施上述兩個示例性實施例的任意一種方法，也可以將上述兩個示例性實施例組合在一起實施。
[0063]為了使得在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型能夠按照PLC系統的主控PLC的任務周期執行，根據本發明的一個示例性實施例，在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型的仿真步長與PLC系統的主控PLC同步。
[0064]從上述實施過程中可以看出，通過將Simulink環境中構建的風電機組的機械模型移植到PLC系統中，不僅可以模擬風電機組的部分或者全部的運行模式，實現風電機組的實時仿真，同時還能夠提高風電機組的仿真置信精度。
[0065]另外，為模擬出風電機組完整的運行過程，根據本發明的另一可選實施例，如果PLC系統切換的另一運行模式不是第二運行模式，則第一仿真單元101模擬風電機組在另一運行模式下的狀態信息。
[0066]由此可見，本發明所述仿真方法不僅能夠在不依靠硬件的情況下實現風電機組的實時仿真，而且還能夠進一步提高風電機組仿真的置信精度，另外，還有效降低仿真平臺的搭建成本，避免了潛在的危險。本發明可以根據需求自定義變槳、偏航、水冷、傳動等單個或多個物理子系統的測試驗證工作，對被測試子系統進行充分的驗證。
[0067]需要指出，根據實施的需要，可將本申請中描述的各個步驟拆分為更多步驟，也可將兩個或多個步驟或者步驟的部分操作組合成新的步驟，以實現本發明的目的。
[0068]上述根據本發明的仿真方法可在硬件、固件中實現，或者被實現為可存儲在記錄介質(諸如CD ROM、RAM、軟盤、硬盤或磁光盤)中的軟件或計算機代碼，或者被實現通過網絡下載的原始存儲在遠程記錄介質或非暫時機器可讀介質中并將被存儲在本地記錄介質中的計算機代碼，從而在此描述的仿真方法可被存儲在使用通用計算機、專用處理器或者可編程或專用硬件(諸如ASIC或FPGA)的記錄介質上的這樣的軟件處理。可以理解，計算機、處理器、微處理器控制器或可編程硬件包括可存儲或接收軟件或計算機代碼的存儲組件(例如，RAM、ROM、閃存等)，當所述軟件或計算機代碼被計算機、處理器或硬件訪問且執行時，實現在此描述的處理仿真方法。此外，當通用計算機訪問用于實現在此示出的處理的代碼時，代碼的執行將通用計算機轉換為用于執行在此示出的處理的專用計算機。
[0069]盡管已參照優選實施例表示和描述了本發明，但本領域技術人員應該理解，在不脫離由權利要求限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以對這些實施例進行各種修改和變換。
【權利要求】
1.一種在風電機組的PLC系統中模擬風電機組運行的仿真方法，其特征在于，包括: 第一仿真單元模擬風電機組在第一運行模式下的狀態信息，并對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換，以便PLC系統根據轉換的結果切換至另一運行模式； 如果PLC系統切換的另一運行模式是第二運行模式，則第二仿真單元模擬風電機組在第二運行模式下的狀態信息。
2.如權利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換，包括: 通過PLC系統的LREAL_TO_INT接口對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換。
3.如權利要求1所述的仿真方法，其特征在于，第一運行模式或第二運行模式分別為以下運行模式之一: 待機模式、啟動模式、加速模式、發電模式、停機模式。
4.如權利要求3所述的仿真方法，其特征在于，當第二運行模式為發電模式時，所述第二仿真單元模擬風電機組在第二運行模式下的狀態信息，包括: 所述第二仿真單元根據風電機組的機組功率系數、機械特性方程、周圍的環境信息以及PLC系統給定的扭矩和槳距角，模擬風電機組在發電模式下的轉速、響應的扭矩和槳距角。
5.如權利要求1?4任一項所述的仿真方法，其特征在于，所述第一仿真單元和/或第二仿真單元為在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型。
6.如權利要求5所述的仿真方法，其特征在于，所述在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型的仿真步長與PLC系統的主控PLC同步。
7.一種風電機組的PLC系統，其特征在于，包括: 第一仿真單元，用于模擬風電機組在第一運行模式下的狀態信息，并對模擬的狀態信息進行逆邏輯轉換； 主控PLC，用于對逆邏輯轉換后的信息進行邏輯轉換，以便根據轉換的結果切換至另一運行模式； 第二仿真單元，用于如果切換的另一運行模式是第二運行模式，則模擬風電機組在第二運行模式下的狀態信息。
8.根據權利要求7所述的風電機組的PLC系統，其特征在于， 所述第二仿真單元，用于當第二運行模式為發電模式時，根據風電機組的機組功率系數、機械特性方程、周圍的環境信息以及PLC系統給定的扭矩和槳距角，模擬風電機組在發電模式下的轉速、響應的扭矩和槳距角。
9.根據權利要求7或8所述的風電機組的PLC系統，其特征在于， 所述第一仿真單元和/或第二仿真單元為在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型。
10.根據權利要求9所述的風電機組的PLC系統，其特征在于， 所述在Simulink環境中構建的風電機組的機械模型的仿真步長與PLC系統的主控PLC同步。
【文檔編號】G05B19/05GK103744341SQ201410030698
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月22日 優先權日:2014年1月22日
【發明者】周杰, 周桂林 申請人:北京金風科創風電設備有限公司