2013年10月17日下午，北京国际风能暨展览会——电气及控制技术。沈阳工业大学邢作霞副教授演讲：风力发电机主控系统动态仿真实验台的开发与研究。以下是全文：
邢作霞：大家下午好!我这个题目属于高校实验室能力建设领域的，我讲的东西跟前面的各位阐述的方向不是很一样，虽然都是跟控制相关的，但是我在这里想跟大家分享一些我们在实验平台上面的一些研究成果。
当然本身当时开发这个实验平台的初衷是为学生教学用，但是我这里会重点也说一下，面向制造商、开发者，在实验平台里面能不能找到一种方案?把我们前期开发的想法，通过一些小的或者中型平台先试试。之所以很多天来我们国内很多常说科诺走的是比较早了，在很多方面都积累了丰富的经验，但是其实我们还是相对国外20、30年的经验里面，我们心有余悸，因为它还涉及到现场存在的一些风险性。
能不能找到一种在实验室里的实验方法呢?就是我今天报告提供的思路。
首先把实验台设计和功能规划怎么做做一个概述，当然跟控制方面的用途关联。
另外就是一些仿真的工作，比如3D仿真和半物理仿真工作怎么体现?
概述：这是教学方面的需求，在这儿不赘述了。人才培养从06年开始教育部批的第一个本科教育之后，开展了本科教育，随之开展了很多高职教育，本着人才的需求，包括运营维护和设计开发人才需求启动。去年开始本科专业已经改名了，不叫风能与动力工程了。我经常跟学校说我们的风能与动力工程专业是“熊猫专业”，就7年期间有，可以算算屈指可数，我们培养了多少风能与动力专业的学生，所以用人单位各位领导们，以后看到这个专业证书这个专业不要歧视，去年开始已经叫“新能源科学与工程”专业了。各个高校设置这个专业的时候大多数括号一下，风电方向，或者光伏方向。
二、实验台功能设计
(图)这是控制实验台的构想：左上角那个图片就是实验台的照片，从设计思路来说，是人机交互界面，是HMI画面可实现趋势图显示，故障报警、数据归档功能。编程电脑：深位机实现学生编程和后台模拟仿真功能。可在上位机上实现风电机组风能捕获及机械传动的动态仿真，与PLC编制的控制程序进行信息交互。
主控制器里可以放你的程序，编程电脑有一个交互，仿真机会来执行，人机交互会让HMI设计一些参数进去。
三、操作面板及实验设计
(图) 这个板块功能设计来说，所有的偏航回路设计成插孔形式的，这块功能在学生锻炼的时候很有作用，其实很简单，但是初学者肯定需要锻炼。
下面就是整个偏航动作的模块。整个偏航机构，要有偏航电机，还要有传感器，监测正反转，把这些执行小件都放在外边。从实验角度设计思路，就是把现场里边大的搬不来的东西都缩比，变成台上你能看到的东西。( 图)我们可以把接口设计出去，你的程序可以对它说话，程序执行外面完全可以看到动作，这几个模块都是联机的。
液压站变电桨要么是高航闸，要么高速闸。整个油路回路怎么实施?这几个阀控怎么配合?就是释放、被压之后的状态。这上面有搭配的控制，在这个板块之下，可以通过控制训练逻辑，两个板块都能看到。否则风机上这边要看液压站，那边看偏航，不是一个人能干的活。
下面一个板块就是做的油润滑系统，齿轮箱冷却。大的齿轮箱整机有10MW的，7MW的，应该更复杂了，有低温的，防高温的。对制造商来说把这个板块抽象出来，设计多层逻辑。外面这几个按纽都可以设定，比如油稳高低。这里比较难实的是齿轮箱的内部逻辑，这需要仿真出来。
下面这几个板块是变桨部分。大家知道变桨实施在功率控制环节，转速控制环节。硬去看变桨或者给一个变桨控制回路就变成内部控制回路了，但是对于组控来说，它的变桨目的主要是抑制功率波动，转速波动。要实现这个内部控制环境要有一些仿真技术，进行变桨之后，大风的时候风机有功率波动，变桨执行了，如何反馈这带给开发者一个很大的挑战。我们要有一个内部逻辑嵌进去，才能进行检验。
(图)我们做的实验包括偏航互锁电路设计实验，传感信号采集和自动化对于风编程实验、在实验台完全开放的IO，可以随便配置。
想问题这样一套成语功能多了，首先要得有采集、判断正反转，另外自动跟风的时候要判断左右极限状态，还要判断方位角，风速的状况，这个软件有一定的开发量。
实验三、液压机构袁丽姬控制实验：唯一特征就是你的液压什么样你可以自行设计。
实验五、变桨距控制编程实验：不同的位置风的变化梯度不一样，变桨参数需要各自有各自的参数，不是一套参数能胜任的。这里真正的实验就是PID参数的调整，内部有一个反馈。现在考虑怎么样能把内部反馈嵌入里面?否则还是没法校验程序。
四、系统网络结构设计：
我们采用了一套西门子的方案，
五、人机交互界面：
六、3D仿真风利发电机组仿真模型
这是很多厂家都干的活，你只不过是移过来用三维检验机械设计是否合理，我们把这个拿过来再进一步做动画，每一个控制都要彰显出来。难在是这套3D仿真跟软件要有接口，至少要接受偏航指令、启动指令、停机指令和转速指令。
七、基于FAST的半物理仿真环境搭建
有几种手段：第一种是用开源代码。包括AerDYN叶素理论、气动特性、MATLABPLC代码、FAST机械部件载荷动态特性。
采用AeroDyn、FAST和MATLAB这三种仿真工具分别建立气动、模型、机械运动模型和控制系统模型。你可以通过UDP或者是通过OPC，或者是通过TCP、IP协议都可以过去，就看速度的要求是什么样。
如果用MATLAB，它的嵌入PLC跟PLC种类有关。这块不同的制造商有不同的做法，西门子是给你一个原有的文件，然后嵌到PLC里面，这样PLC跟它无缝连接，把它的响应读上来，把你的程序也同时跑了。
基于GH BLaded的半物理仿真环节搭建：现在几乎很多制造商为了认证、设计他们都有Bladed模型做很多工作。比如说都设计完了，Bladed软件可以把体设计的控制曲线，变桨距离曲线，包括针对独立变桨距的控制曲线，你的变化、规则，变完之后，通过TCP IP，着你的笔记本，用一根网线，联到控制器上，当然跟你的控制器有关，控制器会跑你的程序，你的本上面跑的是Bladed额的响应，Bladed有一个接口，它会实现跟你的程序的交互。程序控制一些指令，通过这个交互来到Bladed相应，它里面所有的程序跟你的逻辑通上来。不是跟DL文件通，DL文件里面是一个算法，比如什么时候控制桨距，现在验证的真实的一套程序在那儿怎么跑，给机主的响应是什么，Bladed能看到整个载荷的变化，看到理想就可以了，如果不理想再调程序。这个通道就会给大家在软件设计部分和编程部分搭成一个桥梁。这块能锻炼我们真正编出来的程序，是否让机组有什么样的响应状态，你可以很直观的看到。尽管有很大程度是仿真的逻辑，不能完全代表现场情况，但是至少通过实验能够拿到一个信息，就是程序跑起来是不是安全?因为Bladed里会算200多种工况，可以设大风失电、脱网，都可以设这样的情况。如果出现问题，说明软件响应力不够。这种情况是我们守在现场很长时间未必能看到的状态，但是通过半物理仿真情况可以测试到可能会发生的结果。
八、SUT -DFM-10KW双亏风电机组动态仿真模型实验台
这个实验机组对我们实验教学有很大的辅助作用，对我们的研究工作也有很多帮助，所以在这个想法上我们设计了实验室的数据模型，可以按照整机的模型提供，它只是教学模型的认知。整个系统风机上面的装置都在实验室体现出来，有主控柜和并网柜。我们为了手操的接洽，涉及远程操控实验操作台。
(图)这是动态仿真实验台，把所有的控制相关联的，包括电流控制、监控系统和变桨控制都体现出来了。这是在实验室仿真做实验的一个控制台。对于电机控制有没有呢?答案是有的：
整个方案就是可以把你的电机结构变成几百千瓦的电机，采用对脱的方式，可以模拟出转距轴的脉动，我们叫风模拟系统，这个想法5、6年前就有提出，概念提出来之后，现在我们的概念被一些海洋大学所接受。风的设计和海流设计、波浪发电也有一比，现在海洋大学都用我们的方案。这样可以把整个实验台，风流模拟或者外流场模拟都可以放在驱动实现的方式来实现。
我们可以在并网柜实现，并网柜组成有硬件和软件，高校里面大家用一些仿真的手段比如说RT平台，想办法用这个概念实现你的控制略
对于永磁发电，风模拟这块没有区别，唯一也区别的是变流算法。
对风电来说，很大一部分维护会发生在变桨系统，我们对变桨这块针对现场运行、维护人员、调试人员设计一个变桨操作台的概念。简单易行，但是有两个仿真手段，第一个就是我们把叶根整个结构抽化出来，叶片轴承、内驱小齿轮，减速机、驱动连接，中间这个绿色的部分是模拟载荷装置。为什么做这个?这对变桨设计是有更高层次的意义的。在变桨控制里面，在做设计的时候要针对不同的页面变量设计大小，而且要能够承载叶片的变量。这部分是模拟载荷的变化。
三轴联动变桨距联合控制实验方法：通过轴控、包括线位开关、小齿轮、编码器等等进行控制。
感谢大家对我这个题目的关注，谢谢!
主持人：感谢邢教授。
提问：您刚才介绍的软件，整个系统开发是你们学校自己做的?还是说跟企业有合作?软件部分是你们来做?硬件部分是企业这边买它的产品而形成的一个很成熟的东西还是处于开发阶段?
邢作霞：这些产品都是我们自己做的，我们有成套的设计。整个设计方案是我们总体来完成的，里头有个别的件是外围的，但是也是按照我们技术条件加工制作的。整个设计方案是我们完成的。我们这些思路是结合教学来实现的，而且在我们做完之后，我们兄弟院校很多院校去我们学校看，虽然我们投资不是很大，但是我们觉得还是很有成就的，因为作为一个学生锻炼平台，提供一个开发环境，国内还没有看到有做同样的实验平台。所以我们还是很骄傲的。这个产品不光可以让你在实验室锻炼，可以拿到现场，这是我们和别的高校实验平台最大的不同。
主持人：谢谢邢教授。到现在今天下午议程够结束了。研讨会也到此结束，谢谢大家!
