PC 控制 | 风电专刊 201230

陆上或海上风力发电机组已充分准备好！先进的风场控制系统能够支持电网的稳定运行。硬件在环测试对于在现场或海上（海上风场）快速经济地试运

行控制器的来说必不可少。这种测试对控制器的发展也很有帮助。为此，位于德国卡塞尔的弗朗霍夫风能和能

源系统技术研究院（IWES）开发出了应用于风场控制器的硬件在环试验台。风场控制器和风场通信系统可作为

硬件集成到实时仿真器中，模拟风场和电网的运行。这种测试台的开发得到了德国联邦环境、自然保育及核能

安全部（BMU）的支持。它是与风力发电机组制造商 Areva Wind 合作开发的。

基于 PC 和 EtherCAT 控制技术的硬件在环试验台在风场控制器的应用

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用于风场和风力发电机组的控制系统在风场项目的实用性和经济效益

方面起着重要的作用。正因为如此，控制硬件和软件的质量要求也变

得日益严格，特别是用于海上系统的控制硬件和软件。认证机构近期

开始呼吁在控制器开发方面建立文件化的质量管理，例如，不仅仅控

制算法需要认证，用于控制硬件和软件的开发和测试过程也需要进行

认证 [1]。

软件或硬件在环（HIL）测试构成了开发过程很重要的一部分。在测

试期间，控制系统及其与风力发电机或风场仿真模型的相互作用需要

在实际条件下进行测试。硬件在环测试过程的主要优点在于：

– 控制器功能测试，覆盖了所有的相关操作环境

– 可重现的环境条件，特别是风速和电网状况

– 控制器功能性的安全测试，甚至在危急情况下也是如此

– 现场试运行所花费的精力显著降低

硬件在环测试特别满足了模拟模型的要求，在硬件在环测试中，实际

控制器硬件通过一个硬件接口与实时仿真器连接。

为此，弗朗霍夫风能和能源系统技术研究院基于 Matlab®/Simulink® 模

拟软件创建了模块化模型库，其能用于为单个的风力发电机组和风场

配置适合的模型。自动代码生成能够导出实时模型，其能够通过集成

到 Beckhoff 的 TwinCAT 3 自动化软件平台直接在基于工业 PC 的仿真环

境中实时执行。实际模型可嵌入一个用于大量测试案例的自动处理的

环境中。对于每一次测试，诸如风速、电网电压、风力发电机组或风

场既定故障的发生等外部条件都可以指定。与模块化模型结构连接，

基于 Beckhoff 硬件的实时仿真器的配置使得高度灵活性得以实现，满

足了客户对于测试的要求。图 1 显示了风力发电机组控制系统的硬件

在环测试环境的结构和用户界面。

图 1： 风力发电机组控制器硬件在环测试环境的简图和用户界面

远离德国北海海岸的海上风场 Alpha Ventus

© M. Ibeler/DOTI

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补偿总厂

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硬件和控制器面临的挑战

较高的动态性要求对控制系统和风场通信来说是一项巨大的挑战。动

态性的决定性因素取决于控制环中的离散时滞［4］。这是由电气参

数的测量、电脑中的处理以及风场控制器和风力发电机组间的通信确

定的。因此，这就需要被控系统中的快速通信过程和处理顺序，在理

论上是同步的。面对较高的动态性要求，控制器本身也应该精确地与

被控系统同步。除离散时滞外，这还包括执行器的动态特性以及穿过

风场中电气组件与电网的稳态增益。

仿真前的最后一步成为现实

普遍适用的风场控制器具有复杂的结构和广泛的参数集。其必须与硬

件相适应。在许多情况下，硬件的精确行为只能通过大量的仿真实验

确定。在试运行风场控制器之前，最明智的做法就是根据现实条件在

实验室中对其进行测试。有了这个开发步骤，就有可能避免在现场或

海上进行的既耗时又昂贵的适应性措施。

为此，位于卡塞尔的弗朗霍夫风能和能源系统技术研究院开发出了用

于风场控制器的硬件在环测试台。风场控制器和风场通信系统可作为

硬件集成到实时仿真器中，根据所需的细节层次模拟风场的行为。实

时仿真器由不同的子模型组成，这些子模型分布在多个工业计算机

中。具体来说，其包含下列元件： �

– 一个包括电缆、电压互感器及电网并网元件的风场网络的电气模

型。其中具有重要作用的便是用于将无功功率馈电和电压在电网

并网点耦合的模型。

– 风力发电机组模型，包括空气动力学系统、发电机和变流器。风

力发电机组控制器可作为实时模型或硬件集成。

– 风场模型，其与空气动力学风力发电机组模型相结合以将风场中

的遮蔽效应因素考虑在内。

单个子模型的计算周期和子模型间的通信取决于仿真器的物理性质。

实时仿真器具有模块化的结构以根据风场大小实现最大的灵活性。单

应用于风场控制器的硬件在环测试环境

在先进的风场中，必须将一个风场控制器用作为中央控制单元。这使

得通过系统服务支持稳定的电网营运成为了可能。有功功率控制支持

了电网中的频率稳定，而无功功率控制确保了风场并网点上的电压稳

定。风场控制器获取来自电网并网点的测量数据，并通过风场通讯系

统控制不同的执行器。执行器包括独立的风力发电机组和额外的补偿

系统，例如电容器组或 STATCOM。具有可变变比的电压互感器也可作

为执行器（见图 2）。

电网营运商的一般要求

电网准则规定了所需的系统服务。而这些系统服务因国家和电网营运

商而异。就电压支撑控制而言，不同的设定值之间是有区别的。例

如，在某些情况下可以规定无功功率或功率因数，而在另外一些情况

下会规定诸如电压/无功功率统计等特性曲线。设定值可以是常数或

按时间表设定的，或电网营运商通过遥控来改变设定值。对控制器动

态性的要求也会有很大的不同： 例如，在德国，新的无功功率值最

早可在 10 秒之后通过 Q(V) 曲线设置 ［2］，而在英国，电网准则规

定了最大校正时间为两秒［3］。一般在风场试运行期间来证实是否

符合这些要求。然而，于 2014 年开始，用于德国市场的风场控制器

也需要接受认证。

图 2： 风场控制系统简图

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控制器测试环境

硬件接口

硬件接口

测试案例批量处理

风场输入文件

实时仿真模型

现场总线 模拟量 I/O 数字量 I/O

风力发电机组主控制器

数据记录

参数输入文件

图形用户界面

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个的风力发电机组模型可分布于多个工业 PC 中。

选用 Beckhoff C51xx 系列工业 PC 作为仿真器的硬件。所需 PC 的数量取

决于需模拟的风场大小以及模型的细节层次。单个模型在系统范围内

的输入和输出信号通过 EtherCAT 自动化协议进行交换。同样，所有仿

真计算机的时钟都使用 EtherCAT 进行同步。就 I/O 而言，EtherCAT 端子

模块通过 EtherCAT 耦合器连接。使用用于 Matlab®/ Simulink® 的 TwinCAT 3

目标对仿真模型进行编译，因此他们能够被直接转移至工业 PC 中。简

单的 PLC 程序可协同分布式仿真的开始和结束。

图 3 显示了实时仿真器和链接硬件的简图。例如，仿真器将计算出的电网

并网点的电气参数通过 EtherCAT 端子模块传输至风场控制器。控制器将

其设置值通过风场通信系统发送给单独的风力发电机组控制器，这些

风力发电机组控制器通过更多的的端子模块与仿真器中的风力发电机

组模型连接。风力发电机组控制器可有选择的（部分的或者完整的）

集成到软件中。

硬件在环测试台的应用选项包括控制器开发和控制器调整（以适合特

定的风场）。这样，控制器的功能以及硬件元件间的正确信号交换（

分配、缩放比例）可以得以验证。如有必要，可对控制器的动态性进

行评估（将实际的硬件特性考虑在内）和适应。与现场进行适应相

比，输入条件（风速、电网条件）能够以可复写的方式进行设置，而

且诸如电网故障等极端事件也可以得以考虑。

测试台可作为将来风场控制器认证过程的一部分。由于硬件特性对控

制器动态性的影响，硬件在环测试台的测量值为控制器特性的评估提

供了良好的基础。用户可以使用一系列的标准风场模型，而且还可以

将电网并网和执行器的不同特性考虑在内。

作者： Dipl.-Ing. Melanie Hau，风场控制及实时仿真器小组，弗朗霍夫风能和能源

系统技术研究院 （IWES）

[1] Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH，工业服务的准则和指导方针 – 风

力发电机组认证的指导方针，2010

[2] Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.，Technische Richtline Er-

zeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz，2008

[3] 国家电网输电公司，电网准则，2010

[4] M. Hau, M. Shan, Windparkregelung zur Netzintegration，第 16 届卡塞尔能源系

统技术研讨会，2011

图 3： 带风场控制器和风力发电机组控制系统的实时仿真器简图

弗朗霍夫风能和能源系统技术研究院

弗朗霍夫风能和能源系统技术研究院 （IWES） 于 2009 年成

立，其主要办公地位于德国卡塞尔和不莱梅港。其研究领域

包括风电各领域及可再生能源供应结构一体化。研究所拥有

370 名员工，年度预算大约为 3 千万欧元 （2011 年数据）。

更多详细信息：

www.iwes.fraunhofer.deAreva Wind GmbH: www.areva-wind.com

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