亞琛工業(yè)大學(xué)的研究人員在生成產(chǎn)品級(jí)代碼之前，對(duì)一臺(tái)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制器進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，并執(zhí)行了全面的 SIL 和 HIL 測(cè)試。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要先進(jìn)的控制策略，才能最大限度地提高功率輸出并降低結(jié)構(gòu)部件上的機(jī)械負(fù)載。

模型預(yù)測(cè)控制 (MPC)是一種很有前景的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略，它不僅可以處理多變量控制問(wèn)題，同時(shí)可兼顧過(guò)程中的約束問(wèn)題。

一些研究已經(jīng)使用數(shù)值仿真來(lái)探索 MPC 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用。據(jù)我們所知，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 MPC 控制學(xué)術(shù)領(lǐng)域，我們的研究首次提供了來(lái)自兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)全尺寸現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn) MPC 結(jié)果。

我們采用了快速控制原型 (RCP) 方法，在 MATLAB 和 Simulink 中對(duì) MPC 算法進(jìn)行建模和仿真，并在軟件在環(huán) (SIL) 和硬件在環(huán) (HIL) 測(cè)試中對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。然后，我們將控制模型生成產(chǎn)品級(jí)代碼，用在 Bachman PLC 上，并在由 W2E Wind to Energy GmbH [6] 的同事設(shè)計(jì)和運(yùn)行的 3 兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（圖 1 和 2）。

圖 2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)及其主要組成?，F(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試中的控制系統(tǒng)和旁路接口進(jìn)行擴(kuò)展。被控對(duì)象（頂部）展示了位于德國(guó)羅斯托克的 W2E-120/3.0fc 3 兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原型。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制框架簡(jiǎn)介

我們開(kāi)發(fā)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制框架 (WTCF)，為團(tuán)隊(duì)的每位成員提供了一個(gè)一致的環(huán)境來(lái)共享活動(dòng)模型、腳本和路徑。對(duì)于版本控制，我們通過(guò) Simulink Projects 將框架與 Git 集成。

WTCF 的主模型中包括被控對(duì)象和控制系統(tǒng)的子模型。我們使用模型引用(model reference )分層組織設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)模塊化開(kāi)發(fā)。該框架的文件夾結(jié)構(gòu)映射了模型和子模型的層次結(jié)構(gòu)（圖 3）。

圖 3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制框架中的主模型 (a) 及相應(yīng)的文件夾結(jié)構(gòu) (b)。（圖片來(lái)源：Dickler、Kallen、Zierath 和 Abel [1]）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)和 MPC 算法建模

在我們的框架中，用非線性降階模型來(lái)表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該模型在初始系統(tǒng)仿真中作為被控對(duì)象模型，在 MPC 算法中作為內(nèi)部預(yù)測(cè)模型。該

降階模型包括三個(gè)子模型：一個(gè)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)的機(jī)械模型，一個(gè)用于塔架和槳葉動(dòng)力學(xué)的機(jī)械模型，以及一個(gè)用于空氣動(dòng)力學(xué)的模型（圖 4）。

我們使用常微分方程開(kāi)發(fā)了兩個(gè)機(jī)械子模型，其參數(shù)值一部分由實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)確定，另一部分通過(guò)參數(shù)辨識(shí)的多體仿真確定。在降階模型中，我們使用了氣動(dòng)力系數(shù)的靜態(tài)map圖，將風(fēng)速與施加到風(fēng)機(jī)機(jī)械子模型的力和力矩聯(lián)系起來(lái)。

圖 4.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的非線性降階模型，包括空氣動(dòng)力學(xué)的靜態(tài)map圖以及傳動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子-塔架動(dòng)力學(xué)的子模型。（圖片來(lái)源：Jassman [4]）

我們?cè)O(shè)計(jì)了 MPC 算法，以最大限度地提高功率輸出、讓系統(tǒng)運(yùn)行在約束條件內(nèi)，并降低由陣風(fēng)或其他條件導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)機(jī)械負(fù)載。

該算法在 MATLAB 和 Simulink 中建模，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率作為受控變量，以最大限度地提高輸出。塔頂加速度代表機(jī)械負(fù)載，因此用作附加受控變量。

該算法使用兩個(gè)控制變量來(lái)實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)：風(fēng)機(jī)的俯仰角速率和發(fā)電機(jī)扭矩。后者由風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)-變換器系統(tǒng)處理，包括一個(gè)額外的、更快的控制回路。

運(yùn)行系統(tǒng)仿真、SIL 測(cè)試和 HIL 測(cè)試

我們進(jìn)行了閉環(huán)系統(tǒng)仿真，以驗(yàn)證降階風(fēng)機(jī)模型，并得出初始 MPC 算法參數(shù)，以用于 SIL 和 HIL 測(cè)試（圖 5）。

WTCF 使我們可以輕松地用更詳細(xì)的模型取代降階模型，包括使用 alaska/Wind 軟件開(kāi)發(fā)的風(fēng)機(jī)多體仿真模型 [7]，以及使用 FAST 軟件開(kāi)發(fā)的第二代模型 [8]。

圖 5.系統(tǒng)仿真、SIL 測(cè)試和 HIL 測(cè)試設(shè)置。（圖片來(lái)源：Dickler、Kallen、Zierath 和 Abel [1]）

使用 Embedded Coder，我們生成了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) (DLL)，以針對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)化系統(tǒng)和對(duì)象模型運(yùn)行閉環(huán)測(cè)試，該模型使用經(jīng)認(rèn)證可用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)行業(yè)的仿真工具 FLEX5 開(kāi)發(fā)。FLEX5 和 alaska/Wind 對(duì)象模型均由 W2E 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證 [10]，結(jié)果表明，這些模型準(zhǔn)確地反映了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性。

我們運(yùn)行了 SIL 測(cè)試來(lái)驗(yàn)證 MPC 的編譯代碼能夠正常運(yùn)行，評(píng)估 MPC 的魯棒性，并測(cè)試 MPC 與風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)有自動(dòng)化系統(tǒng)之間的集成，其中包括監(jiān)控、安全系統(tǒng)和分析功能。

我們還運(yùn)行了 SIL 測(cè)試，以評(píng)估 MPC 算法相對(duì)于常規(guī) PID 控制器的性能。結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)機(jī)受到陣風(fēng)影響時(shí)， MPC 算法在保持機(jī)械負(fù)載水平不變的情況下，比 PID 控制器保持了明顯更穩(wěn)定的功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩（圖 6）。這些結(jié)果證實(shí)了 MPC 具有同時(shí)處理多個(gè)控制目標(biāo)的能力。

圖 6.IEC 61400 定義的極端工作陣風(fēng)荷載情況下的 SIL 測(cè)試結(jié)果。藍(lán)色 = MPC 算法；紅色 = PID 控制器。（圖片來(lái)源：Dickler、Wintermeyer-Kallen、Konrad 和 Abel [5]）

為了準(zhǔn)備 HIL 測(cè)試，我們使用 Simulink Coder 和 M-Target for Simulink 從 Bachmann MH230 PLC MPC 模型生成代碼。在 HIL 測(cè)試期間，我們使用 PC 對(duì)風(fēng)機(jī)對(duì)象進(jìn)行仿真，重用了我們系統(tǒng)仿真中的降階 Simulink 模型或者 alaska/Wind 或 FAST 模型。這些測(cè)試使我們能夠在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 PLC 上驗(yàn)證 MPC 算法生成的代碼，并在包括實(shí)際風(fēng)機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件設(shè)置中驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和后續(xù)步驟

憑借進(jìn)行的系統(tǒng)仿真和全面的 SIL 和 HIL 測(cè)試，我們相信控制器將在實(shí)際風(fēng)機(jī)上有相當(dāng)出色的表現(xiàn)。在基于仿真的開(kāi)發(fā)環(huán)境中成功地運(yùn)行全面測(cè)試，使我們有信心在德國(guó)羅斯托克的 W2E 風(fēng)力發(fā)電機(jī)上首次測(cè)試 MPC 算法。

首次測(cè)試的結(jié)果證實(shí)了我們的預(yù)期，因?yàn)?MPC 可以在不修改控制器的情況下在部分負(fù)載區(qū)域運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)。成功的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是我們?cè)?RWTH 和 W2E 的研究小組的一個(gè)重要里程碑，不僅驗(yàn)證了 MPC 的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，也驗(yàn)證了 WTCF。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為我們?cè)谌叽绗F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)際 3 兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 MPC 系統(tǒng)建立了概念驗(yàn)證，并彌合了多兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī) MPC 系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試之間的差距。在測(cè)試期間，我們確定了控制器設(shè)計(jì)的幾個(gè)潛在改進(jìn)領(lǐng)域。我們的近期計(jì)劃包括改進(jìn) MPC 算法來(lái)提高發(fā)電能力，同時(shí)通過(guò)增強(qiáng) MPC 算法的魯棒性，進(jìn)一步降低風(fēng)機(jī)的疲勞負(fù)載和陣風(fēng)帶來(lái)的極端負(fù)載。

在未來(lái)的研究中，我們計(jì)劃基于物理建模原理和機(jī)器學(xué)習(xí)算法開(kāi)發(fā)更詳細(xì)的預(yù)測(cè)模型。這項(xiàng)研究將為考慮與小型風(fēng)電場(chǎng)中電網(wǎng)兼容性和多物理風(fēng)力發(fā)電機(jī)影響相關(guān)的其他控制目標(biāo)開(kāi)辟新的可能性。

致謝

我們要感謝參與 MPC 測(cè)試活動(dòng)的 W2E Wind to Energy GmbH 的所有同事，感謝他們?cè)趯?shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)中調(diào)試 MPC 系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方面提供的支持。我們還要感謝 Bachmann electronic GmbH 提供的技術(shù)支持，以及為進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和測(cè)試準(zhǔn)備所提供的 MH230 PLC 單元。

關(guān)于作者

Dirk Abel 是亞琛工業(yè)大學(xué)自動(dòng)控制研究所的負(fù)責(zé)人。Thomas Konrad 是能源系統(tǒng)工作組的負(fù)責(zé)人。Sebastian Dickler 和 Thorben Wintermeyer-Kallen 是風(fēng)能研究小組的研究人員。

審核編輯 ：李倩