风能作为当前最有发展前景的一种绿色能源，具有洁净、无污染、可再生的特点，且储量巨大，取之不尽，用之不竭。我国风能资源丰富，总储量为3.2TW，陆地上可开发利用的风能资源为253GW，加上近海的风能资源，全国可开发利用的总风能资源约1TW以上，居世界首位^[1]。

近年来，随着我国风力发电的快速发展（截至2014年年底，我国风电装机容量达114.76339GW，位居世界第一），风机运维方面的问题开始出现。其中主要问题之一则是风力发电一线员工整体技能水平偏低。主要有以下几个方面原因：我国风电起步较晚，风电发展时间较短，技术积累有限；新入职员工较多，工作经验不足；风机机舱位于70m左右的高空，需登高作业，不便于开展培训学习。因此如何能为风电一线员工提供高效的学习培训条件，保证风电运维人才的快速成长成为当前亟须解决的问题。STAR-90风电机组仿真系统的出现则很好地解决了这一难题。1 STAR-90仿真系统介绍 1.1 系统简介

STAR-90仿真系统是一款先进的风机仿真应用软件，它为模型开发人员提供了友好的工程模块化和图形化建模、验模环境，只要熟悉被仿真对象的结构和原理，根据结构和原理进行模块搭接或图符连接，使用模块或图符方式来描述被仿真对象的物理过程，就可以完成模型的建立。该仿真应用软件安装在操作台上，负责在操作台上显示所有的操作画面，并根据数据的运行变化对显示画面进行实时更新，同时可接收学员在监控操作台上所做的操作，并根据操作切换或更新显示画面与相应的数据，控制模型的运行。

STAR-90仿真系统通过研究风电场各对象、设备的通用仿真模型算法，建立一套能够完整描述不同风电场工况的算法库，并以单机容量为1.5MW、总装机容量为100MW左右的风电场为对象建立风电场的全范围仿真机，拟仿变桨、变速恒频双馈异步风力发电机。仿真模型严格依据物理机理建立，能够实现对风力发电机组及风电场各种运行工况的仿真。 1.2 系统组成

STAR-90仿真系统主要由教练员站、操作员站和3D仿真组成。教练员站主要用于条件设定和后台控制；操作员站用于学员对风力发电机组进行相关的各项模拟操作和试验；通过3D仿真可观察风机整体及机舱结构组成，也可对其中的部件进行拆解与装配。2 STAR-90仿真系统在风力发电中的应用 2.1 教练员站

STAR-90仿真系统教练员站安装在后台服务器内，提供后台数据支撑，并对前端机的各项操作进行监视和控制。主控界面（如图 1所示）主要包括快速启动、装入模型、装入初始条件、启动网络、曲线监视、参数监视、故障加入、操作记录、成绩评定、抽点快照、回退/重放、运行/冻结等模块。用户可启动所有模块的功能，通过装入模型模拟风机不同的运行工况；在初始条件列表中选择要装入的初始条件，包括风速、转速、环境温度、偏航扭缆角度、变桨角度等；利用曲线监视和参数监视模块功能可通过曲线或数值列表的形式对数值的变化过程进行查看；通过故障加入模块，学员在培训过程中可加入配置好的单个或多个故障；通过操作记录模块可自动记录学员的整个操作过程，并具备自动评分功能；抽点快照模块用于快速保存学员在培训过程的某一模型状态；回退/重放功能可对学员的操作过程进行重演。

图 1(Figure 1)

图 1 STAR-90仿真系统教练员站主控界面

STAR-90仿真支撑系统操作员站是整个仿真系统的主体部分，学员通过该平台可对风电机组进行监视、控制、模拟试验、定量分析、记录查询、报表统计等操作。 2.2.1 实时监视风电机组的各项参数

STAR-90仿真软件通过通信系统将风电场仿真模型中风电机组的信息收集到中央监控系统，经中央监控软件处理后，将风电机组的信息在单台风机信息画面进行显示，用户利用操作员站可以实时监视风电机组的各项参数。风电机组的参数主要包括运行状态、输出功率、转子电流、电网电压、齿轮油温度、发电机转速、刹车压力、变桨角度、风速风向、机舱振动量等。利用操作员站也可进行风电机组的基本控制，如启机、停机、故障复位、手动偏航、手动变桨、启动油冷系统、变频器测试等^[2]。 2.2.2 进行风电机组的各项模拟试验

利用操作员站可进行风电机组的各项模拟试验，如切入、切出模拟试验，输入一随机变化的风速信号，风电机组在有效风速范围内稳定运行，当风速小于切入风速（3m/s）时自动进入待风状态，当风速大于切出风速（25m/s）时自动保护停机；可进行故障模拟试验，通过教练员站的“故障加入”模块实现此项功能。

示例1：添加“Err001（电网电压低）”故障代码，系统将自动切断线路断路器，学员可通过查看故障代码推断故障原因。通过查看电气参数，发现电网电压显示为0，判断母线断路器跳闸，进入主系统查看，发现690V断路器处于检修状态，手动转换为运行状态，电网电压恢复正常，故障消除，风机正常启动。

示例2：添加“Err122（齿轮箱油温高）”故障，风机停机后齿轮箱油温下降，故障可复位，当启动风机后，随着负荷的增加，齿轮箱油温逐渐上升，当达到报警设定值时，风机停机报警。学员通过查看风机外部环境温度、风况、负荷大小、润滑系统油压等参数，发现风机在高负荷运行时，润滑系统油压为0，进一步检查润滑系统，发现齿轮箱润滑油过滤器处阀门关闭，打开阀门后故障消除^[3]。 2.2.3 进行风电机组的定量分析

利用操作员站可对风电机组进行定量分析，通过给定不同的条件参数（如风速、风向、环境温度、扭缆角度等），观察风电机组运行过程中不同参数的变化。如给定不同的风速，风电机组的输出功率、发电机转速、叶片变桨角度、齿轮箱润滑油温度等参数都将随之发生变化；给定不同的扭缆角度，控制系统将发出不同的指令，当扭缆角度＜1.8圈不影响正常运行时，若风速较低，风机在待机状态下将自动解缆；当1.8圈＜扭缆角度＜3.8圈时，风机执行停机并进行解缆；当扭缆角度＞4圈时，风电机组执行紧急停机^[4]。也可进行故障时数据的定量分析，通过对故障时数据的曲线追踪，可了解各数据的变化趋势，分析故障原因，缩小故障查找范围。图 2为变频器故障时数据曲线模拟追踪图。

图 2(Figure 2)

图 2 变频器故障时数据曲线模拟追踪图

利用操作员站可实现对风电机组的历史记录查询与报表统计等功能：可查询历史运行数据记录、故障记录、发电量、运行时间和操作记录等，也可利用历史数据记录进行数据分析和报表统计，如计算平均风速和可利用率，或生成风速—功率曲线（如图 3所示）。通过此项功能，现场运维人员可学习数据分析与报表统计的方法，提高故障分析能力，并制订有针对性的生产计划。

图 3(Figure 3)

图 3 风速—功率曲线

STAR-90仿真系统3D仿真是以FL1500机组为实体机，通过3DMAX软件按照1：1的比例制作，不仅可实现对风力发电机组机舱内部结构、主传动、偏航动作和变桨动作的演示，也可对其中的组成部件进行拆卸与装配（如图 4所示）。学员可通过此项功能真实地了解风电机组机舱内部结构，并能够对其中的部件进行拆卸与装配，了解各部件的工作原理和装配关系，学习各部件的安装方法，提高动手能力^[5]。

图 4(Figure 4)

图 4 3D仿真

STAR-90风电场仿真系统为风电场一线员工提供了方便、高效的培训平台。新入职员工可以通过该仿真系统进行风力发电机组基础培训，如监视风力发电机组的各项参数，对风力发电机组进行基本的操作，了解风力发电机组的内部结构和装配关系，学习查看历史数据和统计报表的方法。在岗员工可通过该仿真系统进行故障模拟，加深对风力发电机组控制原理的了解，熟悉各种故障的原因；也可通过3D仿真学习机舱内各部件的结构和装配方法，掌握各部件的工作原理，提高操作技能。同时利用该仿真系统可实现较全面的培训教学，避免了爬塔进行实操培训的局限性，提高了培训效率。 3.2 提高工作质量和效率

STAR-90风力发电机组仿真系统在实际应用中也取得了一定的效果。通过该仿真系统的故障模拟试验功能可对实际发生的故障进行定量分析判断，确定故障原因，缩小故障查询范围，从而提高工作效率；同时可对风机的优化改造进行检验，提前验证改造效果，减少不必要的损失；对仿真系统的运行数据进行定量分析，与机组实际运行的数据进行对比，有利于发现机组是否存在异常，并及时采取有针对性的防范措施。 3.3 提供公平的竞技工具

STAR-90风力发电机组仿真系统可用来检验风电场一线员工的技能水平：通过教练员站可进行故障模拟、条件设定等，为学员创造与实际较接近的工作环境；监督和查看学员的操作过程，同时可利用STAR-90风电场仿真系统进行运维员工定岗考试。4 改进建议

目前，STAR-90风力发电机组仿真系统在实践中取得了较好的应用效果，但仍存在不足，其功能还需要进一步改进完善：如停机过程与实际有一定的偏差，故障名称较少，逻辑关系较简单等。建议下一步按照风电机组的实际控制算法编写该仿真系统，并装入不同机型的仿真模型，实现不同机型的切换，3D仿真对各部件的装配能够进行操作。相信随着风力发电技术的发展，仿真系统会不断更新改进，具备更好的利用价值。