GH Bladed软件在控制系统软件测试中的应用研究

史晓鸣，朱长江

(浙江运达风电股份有限公司 风力发电系统国家重点实验室，浙江 杭州 310012)

0 引言

风能作为一种可再生绿色能源受到世界关注与重视。近年来，我国的风电产业得到迅速发展的同时，也逐渐暴露出一些机组质量问题，如大部件损坏与风电机组倒塌等。风电机组质量越来越受到业主方与整机厂家的高度重视[1-2]。控制系统作为风电机组的核心部件之一，是整个风电机组的大脑，其质量直接影响整个风电机组的质量。为了提高风电机组控制系统质量，减少批量控制系统软件问题，目前，大多数整机厂家采用风电场现场软件测试、厂内试验台拖动测试以及半物理仿真测试[3-6]，但这些测试方法所需时间长，测试环境要求高，难以满足快速大规模生产的需要。

GH Bladed软件是英国Garrad Hassan and Partners Limited公司开发的用于风电机组设计的专业软件，主要应用于风电机组稳定分析、模态分析、时域动态仿真、控制系统开发、整机载荷计算和载荷后处理等，关于其在控制系统软件测试中的应用报道甚少。针对传统测试方法的局限性，本文提出了利用GH Bladed软件进行控制系统软件测试的新方法。

1 GH Bladed测试应用技术

GH Bladed软件工具菜单如图1所示。工具菜单从左到右分别为桨叶的整体特性设置、桨叶翼型设置、轮毂与叶轮系统基本参数设置、塔架参数设置、传动链参数设置、机舱设置、风电机组控制系统设置、模态分析、风模型设置等。

在控制系统软件测试过程中，除了使用风电机组Bladed模型提供气动数据之外，还需要在GH Bladed软件中设置如下软件测试工况与测试接口。

1.1 风模块

风模块设置窗口如图2所示。通过菜单可以设置控制系统软件测试所需的风况，如不同风速大小的稳态风、湍流风以及瞬时风等。

图1 GH Bladed工具菜单

图2 风模块设置窗口

在软件测试过程中，稳态风主要用于稳态下软件功能测试，如大风启机过程与小风启机过程等；湍流风与瞬时风主要用于暂态下的功能测试，如变桨系统响应测试、转矩响应测试以及算法仿真测试等。

1.2 风电机组控制系统模块

风电机组控制系统设置窗口如图3所示。GH Bladed软件提供了4种发电控制方式：定速定桨控制、变速定桨控制、定速变桨控制和变速变桨控制。在软件测试中，需要根据风电机组类型选择对应的控制方式。针对变速变桨控制方式的风电机组，需要设置在额定风速下的转矩控制方法，即最优模态增益以及最速区间等；在额定风速上的变桨控制时，需设置最优桨距角、最大桨距角、额定转矩和额定转速等。

图3 风电机组控制系统设置窗口

1.3 测试接口

在GH Bladed软件计算单元中，提供了Hardware Test测试接口，如图4所示。

图4 GH Bladed测试接口

在测试过程中，需要设置软件实时仿真步长、Hardware Test工程名称以及该工程对应的测试程序等。该接口是风电机组Bladed模型与Hardware Test功能交互数据的基础。

2 GH Bladed与控制器读写机制

GH Bladed软件除了提供风电机组模型设计软件之外，还提供了GH Bladed Hardware Test软件，利用该软件可以建立测试工程、编写测试程序与测试脚本以及配置控制器测试接口等；通过该软件可实现风电机组模型与控制系统软件之间的数据交互。

2.1 风电机组模型数据读写机制

在软件测试过程中，GH Bladed Hardware Test除了需要读取GH Bladed 风电机组模型气动数据、当前转矩和当前桨距角等数据并传给被测控制系统之外，还需要把控制系统输出的电磁转矩、桨距角给定值写入到风电机组模型，并控制该模型的运行。为了实现上述功能，需要配置Bladed仿真所使用的Bladed通道、风电机组模型的路径以及风电机组模型与控制器数据的同步关系，如图5所示。

在Bladed通道配置中，由于需要读取Bladed通道数据，其Bladed通道属性需要配置成ReadContinuously；由于需要写入并控制风电机组模型的Bladed通道数据，其Bladed通道属性需要配置成WriteContinuously。在Bladed风机模型配置中，需要设置Bladed风机模型路径以及与GH Bladed Hardware Test通讯协议。在Bladed风机模型与控制器同步配置时，需要将Windey Controller配置成Slaves。

2.2 控制器数据读写机制

为了实现GH Bladed Hardware Test读写控制系统相关数据，首先需要按照预设的协议在控制器内部通道生成对应的GH Bladed Hardware Test配置文件，然后利用该软件将测试配置文件导入其中，自动生成对应的Windey Controller和Windey State Enums，前者为控制软件对应的通道，后者为控制软件状态的名称。如风电机组模型数据读写机制一样，同样需要设置控制器通道的属性以及与Bladed风机模型的同步关系，如图6所示。

图5 Bladed仿真模块设置

图6 控制器仿真模块设置

在控制器与Bladed风机模型同步配置中，需要将Bladed simulation配置成Master。

3 仿真测试

以运达WD1500变速变桨型风电机组控制系统软件为测试对象，采用上述测试方法，分别对启机过程与紧急停机过程进行测试，测试结果分别如图7和图8所示。

从启机过程测试结果看，在桨距角一次调整过程中，机组桨距角从90°逐渐开桨到15°，机组转速逐渐上升，在48 s左右，机组转速到达515 r/min，满足机组二次开桨要求。在机组二次调整过程中，机组转速目标值为机组并网转速，机组桨距角最小值为机组最优桨距角，在变桨PI控制器控制作用下，机组桨距角从15°逐渐向最优桨距角开桨，直到机组转速控制在1 100 r/min并网转速附近，然后控制系统下发并网指令，直到机组并网成功。该测试结果符合机组启机策略与停机过程。

从紧急停机过程测试结果看，50 s时刻机组触发紧急停机故障，机组立即脱网，测量得到的发电机转矩立即变为0 Nm，机组功率瞬间下降为0 kW，在变桨开环控制器以及紧急顺桨命令的作用下，机组桨距角快速顺桨到顺桨位置90°，机组转速快速下降到0 r/min。该测试结果符合机组紧急停机控制策略与停机过程。

图7启机过程测试结果图8紧急停机过程测试结果

4 结束语

提出了利用GH Bladed软件进行控制系统软件测试新方法，克服了传统测试方法的局限性。介绍了GH Bladed 软件在控制软件测试中的相关技术，研究并设计了GH Bladed 软件与被测控制系统的交互机制。利用该方法测试控制系统软件的启机过程与紧急停机过程。结果表明，该测试方法可以验证机组软件功能，提高了控制系统软件出厂质量。