本發(fā)明涉及一種基于硬件在環(huán)的實時仿真平臺技術(shù)，特別是一種基于硬件在環(huán)的風(fēng)電虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

風(fēng)能發(fā)電場是自然場景的一道靚麗風(fēng)景線，是以遼闊的風(fēng)能發(fā)電機(jī)為主體，對于風(fēng)能發(fā)電機(jī)這種大型復(fù)雜產(chǎn)品，不可能通過預(yù)先生產(chǎn)一臺風(fēng)力機(jī)來實際測試其各方面性能。而且，風(fēng)能發(fā)電場地域遼闊，由于受時間、空間、人力、經(jīng)濟(jì)、地域等因素的制約，很難將實地風(fēng)電場實際狀況如風(fēng)機(jī)布局、風(fēng)場運動狀況、風(fēng)能發(fā)電機(jī)各關(guān)鍵部件的運動以及其應(yīng)力應(yīng)變等情況真實的的表現(xiàn)出來。因此，研究一種風(fēng)力發(fā)電虛擬現(xiàn)實實時仿真系統(tǒng)，對科研和培訓(xùn)具有重要的意義。

實際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器以及風(fēng)機(jī)控制器。目前，對于風(fēng)電虛擬仿真系統(tǒng)的研究，多集中在風(fēng)輪建模、機(jī)組建模等，這種全數(shù)字仿真系統(tǒng)重點在體現(xiàn)風(fēng)輪動態(tài)特性，無法對變頻器施加控制策略，對于風(fēng)機(jī)發(fā)電并網(wǎng)策略研究較少。由于是全數(shù)字仿真，沒有真實的發(fā)電設(shè)備，不能達(dá)到培訓(xùn)維護(hù)和檢修技能的目的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于硬件在環(huán)的風(fēng)電虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)與真實的風(fēng)機(jī)動態(tài)模擬系統(tǒng)置于同一個仿真系統(tǒng)中，各設(shè)備之間通過數(shù)據(jù)庫和plc有機(jī)連接、靈活配置、營造了逼真的運行環(huán)境，適用于風(fēng)力發(fā)電動態(tài)特性的研究，能夠為維護(hù)檢修人員進(jìn)行全范圍、全過程、全場景的仿真培訓(xùn)。

一種基于硬件在環(huán)的風(fēng)電虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，包括風(fēng)機(jī)仿真和監(jiān)控系統(tǒng)、plc控制器、風(fēng)機(jī)動態(tài)模擬系統(tǒng)；所述風(fēng)機(jī)仿真和監(jiān)控系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、上位機(jī)，以及連接它們的以太網(wǎng)總線；所述風(fēng)機(jī)動態(tài)模擬系統(tǒng)包括變頻器、電動機(jī)、機(jī)械飛輪、連接軸、發(fā)電機(jī)、整流器、逆變器以及電網(wǎng)；所述plc控制器通過以太網(wǎng)總線分別與數(shù)據(jù)庫、上位機(jī)、變頻器、整流器和逆變器連接。

采用上述系統(tǒng)，所述風(fēng)機(jī)動態(tài)模擬系統(tǒng)通過電動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)發(fā)電來模擬實際風(fēng)機(jī)發(fā)電情況。

采用上述系統(tǒng)，所述風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)通過以太網(wǎng)總線獲取發(fā)電機(jī)參數(shù)。

采用上述系統(tǒng)，所述plc控制器接收上位機(jī)的控制命令，并通過以太網(wǎng)總線傳送給變頻器，通過變頻器進(jìn)行電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制；所述plc控制器通過以太網(wǎng)總線實時獲取變頻器、整流器和逆變器的數(shù)據(jù)。

采用上述系統(tǒng)，所述變頻器通過電纜與電動機(jī)連接；所述電動機(jī)、機(jī)械飛輪和發(fā)電機(jī)依次同軸相連；所述發(fā)電機(jī)通過電纜與整流器連接；所述整流器和逆變器之間通過直流母線連接；所述逆變器與電網(wǎng)連接。

采用上述系統(tǒng)，所述上位機(jī)通過以太網(wǎng)總線監(jiān)控風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)以及下達(dá)控制命令給plc控制器，所述上位機(jī)讀取plc控制器的數(shù)據(jù)。

采用上述系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)庫通過以太網(wǎng)總線實時接收plc控制系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)總線實時傳送給風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)。

本發(fā)明所述的一種基于硬件在環(huán)的風(fēng)電虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)側(cè)采用數(shù)字化仿真，利用3d虛擬技術(shù)實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪、機(jī)艙等設(shè)備結(jié)構(gòu)的三維重現(xiàn)，并且能夠逼真地模擬各天氣和風(fēng)速狀況，形象地反映風(fēng)機(jī)的正常、異常、事故狀態(tài)及其動作過程，可以實現(xiàn)在場景中任意漫游，實現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)設(shè)備各種操作，方便機(jī)組檢修維護(hù)人員進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)。仿真系統(tǒng)實時接收實際風(fēng)電動態(tài)模擬系統(tǒng)的參數(shù)，如風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、電壓等，通過plc控制器可以對風(fēng)機(jī)動態(tài)模擬系統(tǒng)下達(dá)不同的控制策略，模擬不同情況下風(fēng)機(jī)運行狀況，同時得到各種參數(shù)曲線，便于進(jìn)行風(fēng)電方向的科學(xué)研究。

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

附圖說明

圖1是實際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是風(fēng)電虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3是基于硬件在環(huán)的風(fēng)電虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)設(shè)備接線圖。

具體實施方式

由圖2所示可知，一種基于硬件在環(huán)的風(fēng)電虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，包括：風(fēng)機(jī)仿真和監(jiān)控系統(tǒng)、plc控制器以及風(fēng)機(jī)動態(tài)模擬系統(tǒng)。

所述風(fēng)機(jī)仿真和監(jiān)控系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、上位機(jī)以及連接它們的以太網(wǎng)總線；所述風(fēng)機(jī)動態(tài)模擬系統(tǒng)包括變頻器、電動機(jī)、機(jī)械飛輪、連接軸、發(fā)電機(jī)、整流器、逆變器以及電網(wǎng)。

所述風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)、上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫之間通過以太網(wǎng)總線連接；所述數(shù)據(jù)庫和上位機(jī)與plc控制器通過以太網(wǎng)總線連接；所述plc控制器通過以太網(wǎng)總線分別與變頻器、整流器和逆變器連接。

所述變頻器通過電纜與電動機(jī)連接，并且控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速；所述電動機(jī)、機(jī)械飛輪和發(fā)電機(jī)依次同軸相連；所述發(fā)電機(jī)與整流器連接；所述整流器和逆變器之間通過直流母線連接；所述逆變器與電網(wǎng)連接；所述風(fēng)機(jī)動態(tài)模擬系統(tǒng)通過電動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)發(fā)電來模擬實際風(fēng)機(jī)發(fā)電情況；所述發(fā)電機(jī)機(jī)發(fā)出的三相電經(jīng)過整流器整流再經(jīng)過逆變器逆變后并上電網(wǎng)。

所述上位機(jī)通過以太網(wǎng)總線監(jiān)控風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)以及下達(dá)控制命令給plc控制器，同時能夠讀取plc控制器的數(shù)據(jù)。

所述plc控制器接收上位機(jī)的控制命令，并通過以太網(wǎng)總線傳送給變頻器，通過變頻器進(jìn)行電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制；所述plc控制器通過以太網(wǎng)總線實時獲取變頻器、整流器和逆變器的數(shù)據(jù)，包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓等參數(shù)。

所述數(shù)據(jù)庫通過以太網(wǎng)總線實時接收plc控制系統(tǒng)獲得的轉(zhuǎn)速、電壓等參數(shù)，并通過以太網(wǎng)總線實時傳送給風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)。

本發(fā)明的具體工作過程為：先在風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)中進(jìn)行相關(guān)配置，包括場景設(shè)置、風(fēng)機(jī)參數(shù)選擇、風(fēng)況設(shè)置、通訊參數(shù)設(shè)置等；上位機(jī)讀取風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)的配置信息，選擇電機(jī)啟動參數(shù)，并將啟動命令下達(dá)給plc控制器；plc控制器通過控制變頻器啟動電動機(jī)，為保證安全，電機(jī)均為低速啟動；通過電動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)發(fā)電來模擬實際風(fēng)機(jī)發(fā)電，同時plc控制器通過變流器、整流器和逆變器獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓等數(shù)據(jù)，并實時上傳給上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫；上位機(jī)根據(jù)上述參數(shù)，可以通過改變風(fēng)況或者下達(dá)不同的風(fēng)機(jī)控制策略給plc控制器，讓風(fēng)機(jī)運行在不同的工作曲線上；數(shù)據(jù)庫根據(jù)需求，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)，在風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)中可以觀察風(fēng)輪及機(jī)艙內(nèi)各個部件工作狀況和工作曲線，通過設(shè)置故障場景，可以進(jìn)行檢修培訓(xùn)；風(fēng)機(jī)動態(tài)模擬系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，研究人員隨時可以通過上位機(jī)將數(shù)據(jù)調(diào)出來進(jìn)行風(fēng)電方面的科學(xué)研究。

圖3是本發(fā)明的軟硬件設(shè)備接線圖，本發(fā)明所述的風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)的三維建模工具是ug和3dsmax，視景主要開發(fā)平臺為cybermaker和vr-platform。使用ug完成風(fēng)能發(fā)電機(jī)組各零部件的建模，3dsmax完成虛擬場景的創(chuàng)建工作，cybermaker中完成虛擬場景的漫游，然后在vr-platform中完成動力學(xué)數(shù)據(jù)的可視化以及場景的交互驅(qū)動。

本發(fā)明所述的上位機(jī)采用labview圖形化編程軟件開發(fā)，它與所述風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接，接口為常見的rj45網(wǎng)口。

所述plc控制器采用倍福cx5020，plc控制器的編程軟件采用twincat；所述plc控制器與所述上位機(jī)之間采用ethernet通訊協(xié)議，所述上位機(jī)通過調(diào)用tcadsdll.dll動態(tài)鏈接庫控制plc控制器。

所述變流器、整流器和逆變器均采用vaconnxpaircooled型號，與所述plc控制器之間采用ethercat通訊協(xié)議。

所述變流器通過電纜控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，電動機(jī)為異步電機(jī)，型號為ycp180m-4，額定功率為18.5kw。

所述機(jī)械飛輪轉(zhuǎn)動慣量為0.72kg·m²，機(jī)械飛輪的作用是增大系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量從而能夠真實地模擬大功率風(fēng)機(jī)運行狀況。

所述發(fā)電機(jī)為永磁同步發(fā)電機(jī)，型號為tyc160m-4，額定功率為15kw。

所述數(shù)據(jù)庫通過以太網(wǎng)與plc控制器連接，兩者之間通過twincatdatabase通訊服務(wù)交互數(shù)據(jù)。

所述數(shù)據(jù)庫采用sql/server數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)刷新周期為100ms。

所述風(fēng)機(jī)三維仿真系統(tǒng)通過微軟提供的ado數(shù)據(jù)庫接口與所述數(shù)據(jù)庫傳輸數(shù)據(jù)。