（电力电子与电力传动专业论文）基于dspace的风机智能控制半实物仿真研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a b s i r a c t h a r d w a r e i n 1 0 0 ps i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw i t hr e a l t i m e r e a l i s t i c r e s e a r c hb e c o m e a ne f f e c t i v er e s e a r c ht o o lf o l l o w i n gt h eo f f l i n es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do f w i n dp o w e r a tp r e s e n t c h i n a sw i n dp o w e ri n d u s t r y i t sc o r et e c h n o l o g i e s i n c l u d i n g t h em a i nc o n t r o l v i a b l ep i t c h c o n v e r t e ra n ds od e p e n d e n to ni m p o r t s s oo u rc o u n t r y m u s tm a s t e rt h eo w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yf i g h t si nw i n dp o w e rt e c h n i q u ea ss o o na s p o s s i b l e t h e r e f o r e t h i sa r t i c l ef o c u so nw i n dp o w e rt e c h n o l o g yu n d e rt h el a b o r a t o r y c o n d i t i o n sd e s i g n e da n db u i l tas e to fw i n dp o w e ri n t h e l o o ps i m u l a t i o np l a t f o r mf o r d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hi nw i n dp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y a n dt h et h e o r ya b o u t w i n dt u r b i n em a i nc o n t r o li sr e s e a r c h e da n da n a l y z e db a s e do nt h i sp l a t f o r m t h r o u g h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h f i r s to fa l l t h i sp a p e rs t u d i e dt h ew i n ds p e e da n dw i n dt u r b i n ea e r o d y n a m i cm o d e l t h ee s t a b l i s h m e n to fas t e a d yw i n d g r a d i e n tw i n d g u s tw i n da n dm i x e db a s e do nt h e t w o p a r a m e t e rw e i b u l ld i s t r i b u t i o no fw i n ds p e e dm o d e lw h i c hi sb a s i c a l l ya c c o r dw i t h t h eb l a d es o f t w a r em o d e la n di na c c o r d a n c ew i t ht h ea e r o d y n a m i c so fw i n dt u r b i n es e t u pam a t h e m a t i c a lm o d e l t h i sp a p e rs t u d i e df o u rk i n d so fw i i l dt u r b i n em a x i m u m p o w e rp u r s u i tt a c t i c m p p t a n da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si sc o m p a r a t i v et o o b e y o n dt h er a t e ds p e e dt h ec o n s t a n tp o w e rc o n t r o ls t r a t e g yi st a l k e da b o u t t h i sp a p e r i n t r o d u c e dt h es t r a t i f i c a t i o nh i e r a r c h i c a lc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eo ft h ew i n dt u r b i n e a n da n a l y z e dt h ec o n t r o lt h e o r ya n dr e s e a r c hs t r a t e g y s e c o n d l y i no r d e rt op r o v i d eav e r a c i o u sw e l lp l a t f o r mt os t u d yt h ew i n dp o w e r t e c h n o l o g y u n d e r l a b o r a t o r yc o n d i t i o n s t h i s a r t i c l es e t u p aw i n d p o w e r h a r d w a r e i n 1 0 0 ps i m u l a t i o np l a t f o r mw i t hr e l a t e dt h e o r i e st os i m u l a t et h e2 m w w i n d t u r b i n e t h e o r e t i c a ls t u d i e s a se x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e da d s p a c e b a s e dw i n dt u r b i n ec o n t r o la l g o r i t h mp r o c e s s a n dt e s ti nt h es i m u l a t i o n p l a t f o r m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e st h a tw i n dp o w e rh a r d w a r e i n l o o ps i m u l a t i o n p l a t f o r mi sr a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t y a n di t i sa l s op r o v e st h a tw i n dt u r b i n ec o n t r o l a l g o r i t h mp r o c e s si sv e r i f y k e y w o r d s w i n dp o w e rt e c h n i q u e h a r d w a r e i n l o o ps i m u l a t i o n w i n dt u r b i n e m a t h e m a t i c a lm o d e l w i n dt u r b i n em a i nc o n t r o l w i n dt u r b i n ec o n t r o lt a c t i c c i a s s n o t m 4 6 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 签字同期 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 尹潮磁 导师签名 签字日期 2 口叩年7 月 日 诼坪 签字日期 7 年 月届日 致谢 本论文的工作是在我的导师谢桦教授的悉心指导下完成的 谢桦教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 在此衷心感谢两年来谢桦 老师对我的关心和指导 章亦斌教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作 在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助 在此向童亦斌老师表示衷心的谢意 刘展工程师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见 在此表示衷 心的感谢 在实验室工作及撰写论文期间 荆龙博士以及马天翼 刘宝 刘翼等同学对 我论文中的研究工作给予了热情帮助 在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢家人父亲尹健康和母亲余艳桃 他们的理解和支持使我能够在学 校专心完成我的学业 引言 1 引言 1 1 论文的研究背景 随着经济和社会的不断发展 各国对能源的需求持续增长 自2 0 世纪7 0 年 代世界第一次石油危机以来 常规能源告急 加之国际社会对环境关注程度的不 断提高 特别是对减少c o 排放等相关国际公约的实施 风能作为一种新的 可 再生清洁能源和替代能源技术受到了世界各国的关注 各国政府纷纷制定优惠政 策 鼓励企业和个人积极参与风力发电事业 加大风电的开发力度 i 截止到2 0 0 8 年1 2 月底 全球的总装机容量已经超过了1 2 亿千瓦 2 0 0 8 年 全球风电增长速 度达到2 8 8 新增装机容量达到2 7 0 0 万千瓦 同比增长3 6 预计到2 0 1 0 年 全球风力发电容量将再翻1 倍 达到1 4 9 5 g w 欧洲风能协会和绿色和平组织签署 了 风力1 2 该报告指出 至2 0 2 0 年全球的风力发电总装机容量将达到1 2 0 0 g w 2 1 风力发电总量将占全球总发电量的1 2 随着人们对风能技术与市场关注度的增 加 风力发电已经成为一种不可忽视的发电方式 风力发电作为最有商业发展前 景和绿色环保的新兴产业 已经成为解决世界能源和环保问题的重要力量 1 1 1国内外风电产业发展现状 风力发电的蕴藏量巨大 全球风能资源总量约为2 7 4 1 0 9 m w 其中可利用的风 能为2 1 0 7 m w 2 0 0 8 年 欧洲 北美和亚洲仍然是世界风电发展的三大主要市场 三大区域新增装机分别是 8 8 7 7 8 8 8 1 和8 5 8 9 万千瓦 占世界风电装机总容量 的9 0 以上 从国别来看 美国超过德国 跃居全球风电装机容量首位 同时也成 为第二个风电装机容量超过2 0 0 0 万千瓦的风电大国 除了传统的风电大国之外 英国 法国 加拿大 澳大利亚 日本 以及东欧的波兰等国也开始加速发展风 电 2 0 0 8 年 风电累计装机超过3 0 0 万千瓦的国家已经达n 8 个 2 0 0 0 年还只有5 个 超过1 0 0 万千瓦的已经有1 3 个 风电已经成为世界范围内普遍接受的替代能源技 术 中国风能储量很大 分布面广 仅陆地上的风能储量就有约2 5 3 亿千瓦 开 发利用潜力巨大 十五 期间 中国的并网型风力发电技术得到迅速发展 2 0 0 6 年 中国风电累计装机容量已经达至1 j 2 6 0 万千瓦 成为继欧洲 美国和印度之后发 展风力发电的主要市场之一 2 0 0 7 年以来 中国风电产业规模延续暴发式增长态 北京交通人学硕士学位论文 势 2 0 0 8 年中国新增风电装机容量达至u 7 1 9 0 2 万千瓦 新增装机容量增长率达到 1 0 8 4 累计装机容量跃过1 3 0 0 万千瓦大关 达至u 1 3 2 4 2 2 万千瓦 超过印度 成 为亚洲第一 世界第四的风电大国 同时跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风 电大国行列 预计2 0 1 0 年全国累计风电装机容量有望突破2 0 0 0 万千瓦 提f j 实现 2 0 2 0 年的规划目标 3 1 1 1 2 风电技术发展现状 风能转换系统可以按照气动阻力和气动升力分类 4 早期的垂直轴风轮利用的 是阻力原理 但是阻力设备的功率效率很低 最高约为o 1 6 现代风力机主要基 于气动升力原理 利用气动升力的风力机可以根据转轴位置细分为水平轴风力机 和垂直轴风力机 水平轴或称旋桨式风力机是目前风力机应用的主流 水平轴风 力机由塔架和安装在塔顶的发电机舱构成 发电机舱包括发电机 齿轮箱和风轮 在小型风力机中 风轮和机舱通过尾翼定向迎风 在大型风力机中 风轮和机舱 根据j x l 向标信号 用电气控制偏航使其迎风或背风 水平轴风力机的桨叶数量取决于风力机的用途 通常两叶或三叶风力机用于 发电 目前 三桨叶风力机统治者并网水平轴风力机市场 三桨叶风力机的优点 是风轮惯性力矩更易于理解 因此通常比两桨叶风力机的惯性力矩更容易控制 而且 三桨叶风力机比两桨叶风力机更美观 噪音更低 这两点对于在人口稠密 地区使用风力机是重要的考虑因素 两桨叶风力机的优点是塔架顶部重量较轻 因而整个支撑结构可以建造得较轻 相应的成本就有可能更低 视觉效果和噪音 水平对近海风电场并不重要 低成本可能更有吸引力 从而使两桨叶风力机在近 海风力机市场中得到发展 风力发电机是风电机组的重要组成部件 除了将机械能转化为电能 通过控 制发电机转速还能调节风机发电效率 近年来国内外科研人员对于风力发电机展 开了广泛的研究工作 5 7 风力发电机分恒速风力机和变速风力机 a 恒速风力机 上世纪9 0 年代 风力机一般采用笼型感应发电机 电机以恒速的方式运行 这意味着无论风速大小 风力机的风轮转速总是固定的 并且由电网频率 齿轮 变速比和发电机的设计决定风力机发电效率 恒速风力机装有直接并网的感应发 电机 鼠笼型或绕线转子型 软启动器和减少无功功率补偿的电容器组 在特定 风速时能达到最大效率 恒速风力机的优点是简单 坚固耐用 可靠 成熟 且 电气部分成本低 缺点是有不可控的无功消耗 机械应力和有限的电能质量控制 恒速风力机组的拓扑图1 1 下所示 2 引言 图1 1 恒速风机结构 f i g1 1f i x e ds p e e dw i n dt u r b i n es t r u c t u r e b 变速风力机 在近年来 变速风力机已经成为主流 变速风力机在很宽的风速范围内都能 达到最大气动效率 变速运行使它可以连续地调节 加速或减速 风力机转速缈以 适应风速v 的变化 这种方式下 叶尖速比a 在对应最大功率系数的设定值上保 持恒定 与恒速系统相比 变速系统的发电机转矩相当恒定 风速变化被发电机 转速的变化所吸收 目前 主流的变速风力机有双馈感应发电机 d o u b l e f e d i n d u c t i o ng e n e r a t o r d f i g 和永磁同步发电机 p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u s g e n e r a t o r p m s g 双馈型风机采用部分功率变流器 因此变流器容量可按机组容 量的1 3 左右选取 但双馈型风机由于存在齿轮箱 噪音大并且后期维护量大 直 驱型永磁同步电机优点是省去了齿轮箱 缺点是永磁同步电机体积大 造价高 全功率变流器成本也较高 a 双馈风力发电机 b 直驱犁永磁同步风机 图1 2 变速风力机结构 f i g1 2v a r i a b l es p e e dw i n dt u r b i n es t r u c t u r e 现在常见的并网大型风力发电机组除了由风力机和发电机 还包括塔架 变 桨系统 偏航系统 变流器 输变电装置及风机主控系统 变桨装置调节桨叶桨 矩角达到风能利用效率的改变 偏航装置用于使风机始终跟踪风向 而主控系统 则负责整套风机的控制及监测 随着空气动力学 材料 发电机技术 变流技术 3 北京交通大学硕士学位论文 计算机和控制技术的发展 风力发电的发展极为迅速 单机容量不断增大 从最 初的数十瓦级发展到兆瓦级机组 大型风力发电机组对系统运行可靠性 发电质 量以及风能利用效率等提出了更高的要求 相应的风电机组控制技术也不断提出 更高的要求 主控技术的优劣直接对风机的运行等各方面有着至关重要的影响 1 1 3 风力发电仿真研究技术现状 随着风电产业在世界范围内的飞速发展 为降低风力发电成本 提高风能利 用效率 风电机组的容量越来越大 这对风电机组的设计制造 控制系统设计以 及风电相关设备提出了更高的要求 相关课题的研究也不断增多 在研发过程中 传统的实物测试调试尽管是很必要 然而 在风电机组相关 技术的开发过程尤其是大型风电机组 风电场现场调试收到了极大的限制 风电 场气象条件的不定性 高昂的风电场测试费用 大量的人力资源耗费以及调试的 极不方便都极大的制约了风电技术的开发调试 正因为风电设备研发过程中上风 电场实验调试的困难 因此在实验室条件下对风力发电技术进行仿真研究成为研 究风力发电技术的重要手段 目前 仿真手段有2 种 离线式仿真与半实物实时仿真 离线式仿真手段完全 不受气象等外面条件的影响 并且投入成本低 一般情况下 一台主流微型计算 机以及仿真软件 如m a t l a b s i m u l i n k 即可开展仿真工作 仿真模型和控制系统 的开发采用数学模型建立与求解的方法来研究 理论技术的开发 算法方案设计 以及调试都极为方便 正因为风电设备研发过程中上风电场实验调试的困难 因 此成本较低的离线式软件仿真的手段逐渐在风力发电机组的研究和测试领域得到 了越来越广泛的应用 0 1 然而 离线式软件仿真对于设备技术的研发也存在致命的弱点 离线不实时 性 时间上无法同步 不考虑真实的设备 因此无法得到真实的反馈数据以及一 些由于实物 环境等造成的误差影响 一些由于实物和环境造成的影响因素 如 设备通信速率 环境温度等在离线式仿真中也难以实现 缺乏真实性 因此在计 算机上仿真得出来的一些设计方案和控制算法由于忽略真实实物环境因素的影响 而缺乏说服力 研究效果和结论难以令人信服 半实物实时仿真能在实验室的环境下解决离线式仿真无法克服的缺点 1 实时性 实时仿真具有离线式仿真无法实现的时效性 能真正反映设备和控制算 法的实际时序性的效果 2 实物反馈信号 半实物仿真平台具有真实的反馈信 号 一些在离线式仿真无法或很难考虑的参数和信号 如转动惯量 摩擦力 环 境对设备和控制的影响 控制信号的传输速率对仿真的影响等等 在半实物实时 4 引言 仿真平台都能体现出来 3 在线调试的方面性 半实物仿真器对控制算法的在 线调试相当很方便 而且基于实物模型 使得研究的算法的可信程度加大 国内外对风力发电半实物实时仿真研究的关注度越来越大 文献 1 1 用直流 电机加飞轮来模拟风力机特性 用2 0 k w 的永磁同步电机模拟2 m w 永磁同步电机 文 献 1 2 1 3 3 的仿真平台都同样采用直流电机模拟风力机特性 通过工控机上位 模拟风轮程序给出控制信号控制晶闸管调速器调节直流电机 文献 1 4 采用2 套 d s p a c e 系统 一套模拟1 5 m w 双馈电机 另一套作控制器 实现闭环数字仿真 1 2 论文研究目的和意义 目前 随着我国对风力发电的关注度越来越大 国内的风电产业得到了蓬勃 迅速发展 各方面的技术水平与经验也显著增强 然而 不可否认 我国的风力 发电技术水平跟国外仍然有较大的差距 尤其是主控 变桨装置 变流器都依赖 进口 掌握风电相关技术的自主知识产权已成为我国风电产业进一步发展的关键 问题 而随着风电相关技术的进一步开发 由于风电设备上风场实验调试的困难不 便 离线式仿真也不足以应对风电技术的研发要求 因此在实验室条件下研究搭 建一套完善大型风电机组半实物实时仿真开发平台是十分有必要的 本文的工作 就是围绕风力发电半实物仿真在实验室条件下搭建一个具有真实风机特性 良好 的外界接口 从风到电网的一整套风电平台 并在此平台的基础上对风机主控原 理和算法进行研究 1 3 论文研究的主要内容 论文主要基于d s p a c e 系统搭建了一套在实验室环境下的大型风电机组半实物 实时仿真实验平台 并在此实验平台上研究了大型风机的主控系统并对大型风机 的控制算法进行了探讨 本文的主要工作如下 1 围绕风力机的空气动力学原理和风力机的功率控制策略进行理论研究 重点阐述了目前在额定风速以下几种风机的最大功率追踪原理算法 m p p i 包括 最优叶尖速比法 功率信号反馈法 爬山法以及提出了一种改良型最优功率追踪 法 还阐述了在额定风速以上变桨型风机的恒功率输出控制 针对该阶段下风机 的变桨控制原理进行描述 分析并比较了风机这些控制算法的特点以及各自的优 缺点 2 围绕风电场风电机组的控制系统原理展开研究 风电场控制系统分三级 5 北京交通人学硕士学位论文 风电场级控制 机组级控制 回路级控制 本文就这三个级别的控制原理分别进 行阐述 风电场级控制为风电场的整体调度控制 机组级控制接受风电场给出的 控制参考值给出风机各个设备的控制命令 回路级控制为变流 偏航 变桨等设 备的控制算法 3 为了能在实验室环境条件下对大型风力发电机组的相关技术进行研究 本文基于d s p a c e 仿真系统的搭建了一套风力发电机组仿真测试平台 平台以半 实物仿真的方式搭建 利用d s p a c e 系统在线计算风速模拟风轮机的转矩特性 给变频器转矩信号以控制异步电机模拟风力机的转矩输出特性 以p w m 整流器加 异步电机作为风力发电机 两电机同轴对拖 在两机之间的轴上装配飞轮模拟真 实风力机的桨叶转动惯量以模拟真实风机的动态特性 平台还采用真实变桨装置 通过p l c 与仿真平台相连 与d s p a c e 之间实现桨矩控制信号与桨矩角角度值的 相互传输 d s p a c e 系统作为风电仿真平台的主控制器和部分虚拟模型在回路仿真 的功能实现 并且与工控机之间通过总线相连 与工控机配合实现风机仿真平台 的监控功能 4 基于d s p a c e 与m a t l a b s i m u l i n k 的无缝连接 在s i m u l i n k 上设计了风 机主控程序算法以及部分虚拟数学模型 如风速模型 风轮转矩特性模拟 偏航 系统模拟等 并通过风力发电半实物仿真平台进行整体的连调与测试 在基于风 机的特性原理以及风机控制策略的分析 并通过大量实验波形 实验数据进行分 析总结 验证了风力发电仿真平台的实验效果以及风机控制策略技术方面研究的 正确性与可行性 6 d s p a c e 仿真开发平台介绍 2d s p a c e 仿真开发平台介绍 2 1d s p a c e 介绍 在控制算法研究时 基于m a t l a b s i m u li n k 开发的控制算法可以对控制算法效 果实现反复的调试实验直至找到最佳的控制算法方案 然而从控制算法到控制器 的制成却需要耗费大量的时间和人力 对一些大型的科研应用项目 如果完全遵 循过去的开发过程 由于开发过程中会有软件的更改 控制器存在缺陷 硬件环境 的不可靠等不明因素的存在 使得项目周期长 费用高 甚至还可能导致项目的 失败 因此 在开发的初期阶段就引入各种试验手段 并有可靠性高的实时软 硬 件环境做支持 有助于科研的研究 达到事半功倍的效果 另外 当产品型控制器生产出来后 由于控制对象可能还处于研制阶段 或 者控制对象很难得到 这就需要找到合适的方法能在早期对立地完成对控制器进 行测试 d s p a c e 实时仿真系统可以很好的解决上面的问题 d s p a c e 实时仿真系统是由 德国d s p a c e 公司开发的一套基于实时半实物仿真技术的控制系统开发及测试的工 作平台 d s p a c e 系统既包括硬件 又包括软件 其软件能够与m a t l a b s i 删li n k 完 全无缝连接 高度自动化的代码生成 下载和友好的试验 调试软件环境使得应用 开发过程快速易行 其专用硬件性能强劲 具有高速计算和信号i 0 能力 能够 应对各种控制工程和相关应用领域的开发和测试需求 半实物仿真大概可以概括为两种 快速控制原型 r c p 和硬件在回路仿真 h i l s d s p a c e 提供了这两方面应用的统一平台 这两方面应用的区别仅仅是 在r c p 中 d s p a c e 的仿真对象是控制器 实现了控制器的功能 而在h i l s 中 d s p a c e 的仿真对象是设备或环境 实现了某一设备或外环境的功能 d s p a c e 实时仿真系统具有很多其他系统所不能比拟的优点1 1 5 1 仿真实时性 仿真代码下载到硬件上 实时运行 2 开发方便 快速 与m a t l a b 的无缝连接 可以在短期内完成对原型的反 复更改和试验 3 调试方便 通过d s p a c e 提供的c o n t r o l d e s k 软件实现仿真参数的实时修 改 加快调试过程 4 广泛适用性 d s p a c e 在设计时就考虑了大多数用户的需求 设计了标准 组件系统 可以对系统进行多种组合 对不同用户而言 可以在运算速度不同的 多种处理器 如 t i 公司的t m s 系列 d e c 公司的a l p h a 系列 m o t o r a l a 公司的p o w e r p c 系列 之间进行选择 最快的处理器浮点运算速度高达1 0 0 0 m f l o p s i o 也具有广 7 北京交通人学硕士学位论文 泛的可选性 通过选择不同的i o 配置 即可组成不同的应用系统 5 使用灵活 既可以自动生成代码 也可以手工编制代码 以适应用户各 方面的应用需求 而且d s p a c e 是一种实时硬件平台 用户用d s p a c e 完成一种产 品的设计和测试后 还可以d s p a c e 开发其它新品或进行实时仿真测试 2 2d s p a c e 软件 利用d s p a c e 仿真进行开发需要用到一套其自身提供的计算机辅助控制系统设 计工具组 其开发过程依次建立模型 离线仿真 设置实时i o 生成代码 编译 及下载 试验 主要基于以下软件 1 m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 用来对模型进行分析 设计 优化和数据的 离线处理 2 m a t h w o r k s 公司的s i m u l i n k 用来进行方框图的控制系统离线仿真 3 m a t h w o r k s 公司的r e a l t i m ew o r k s h o p r t w 用来从方框图生成可执行 的c 代码 r t w 是m a t a l b 图形建模和s i m u l i n k 仿真环境的一个重要的补充功能模块 简而言之 它是一个基于s i m u l i n k 的代码自动生成环境 它能直接从s i m u l i n k 的 模型中产生优化的 可移植的和个性化的代码 并根据目标配置自动生成多种环 境下的程序 在d s p a c e 实时仿真系统中 用r t w 来从方框图生成可执行的c 代码 4 d s p a c e 公司的r e a l t i m ei n t e r f a c e r t i 用来使代码可以在处理器目 标系统中运行 r t i 是连接d s p a c e 实时系统与m a t a l b s i m u l i n k 的纽带 r t i 对 s i m u l i n k 库进行了扩展 利用这些框图不需要另外写任何代码 就能完成包括i o 接口及初始化过程的设置 同时对r t w 进行扩展 可实现从s i m u l i n k 模型到d s p a c e 实时硬件代码的自动下载 r t i 与r t w 联合生成d s p a c e 硬件所需要的代码 实现了 m a t l a b s i m u li n k 到d s p a c e 的无缝连接 r t i 的使用方法就是用图形方式从d s p a c e 的r t i 库中选定相应的i o 模型 将其 拖放到用s i m u l i n k 搭建的系统模型方框图中 并指定i o 参数以完成对它的选定 选定后 只要鼠标点一下r t w 对话框中的 b u il d 命令 r t i 就会自动编译 下载 并启动实时模型 另外 r t i 还根据信号和参数产生一个变量文件 可以用来进行 变量的访问 5 d s p a c e 公司的c o n t r o l d e s k 用来对闭环实验进行交互操作 自动 手动 例如在线调整参数 数据显示及记录等 当用户使用d s p a c e 的r t i 软件完成建模并用r t w 产生可执行目标代码及系统描 述文件 术 s d f 后 就可以将实时代码的下载 信号监视及参数调整任务交由 c o n t r o l d e s k 软件来完成 c o n t r o l d e s k 软件提供了如下功能 d s p a c e 仿真开发平台介绍 对实时硬件的图形化管理 c o n t r o l d e s k 可以方便对硬件进行注册和管理 并 利用w i n d o w s 拖放方式方便的完成目标程序的下载 用s t a r t 和s t o p 来控制实时程 序的启动和停止 用户虚拟仪表的建立 用户可以从仪表库中采用拖放方式建立所需的虚拟仪 表 通过建立的虚拟仪表与实时程序进行动态数据交换 跟踪实时曲线 完成在 线修改参数 并能记录实时数据 实现实时数据回放等 变量的可视化管理 c o n t r o l d e s k 可以以图形方式访问r t i 生成的变量文件 木 p a r 通过拖放操作在变量和虚拟仪表之间建立联系 除了访问一般变量外 还可以访问诸如采样时间 中断优先级 程序执行时间的等其他与实时操作相关 的变量 2 3d s p a c e 开发步骤 d s p a c e 实时仿真系统功能强大 它既可以和实际控制对象相连 称为快速控制 原型 这时它起控制器的作用 也可以和实际控制器相连 称为硬件在回路仿真 这时它起被控对象的作用 对于用户而言 基于d s p a c e 的仿真系统丌发步骤包括以下几点 1 m a t l a b s i m u l i n k 建立模型 设计控制方案并进行离线仿真 2 在m a t l a b s i m u l i n k 模型从d s p a c e 提供的r t i 库中加入输入 输出模块 替换原来的逻辑连接关系 并对i o 参数进行配置 3 通过r t wb u il d 命令完成目标系统的实时c 代码的生成 编译连接和下 载 将模型编译为c 代码程序下载到d s p a c e 硬件中 4 仿真 并利用d s p a c e 提供的c o n t r o l d e s k 实现实时在线的参数修改 仿 真数据获取 基于d s p a c e 仿真系统的开发流程图如下 9 北京交通人学硕十学位论文 图2 1d s p a c e 开发流程 f i 9 2 1d s p a c ee x p l o i t a t i o np r o c e s s 2 4d s p a c e 硬件介绍 d s1 0 0 5 d s p a c e 的硬件系统分智能化单板系统和标准组件系统 l 引 单板系统是将负责程序算法运行的c p u 系统和负责电气信号输入输出的i o 系统部分集成在一个版卡上 结构紧凑 使用设置方便 单板系统方案具有丰富 的i o 资源 提供了控制器方案设计及代码生成和下载所需的一切 使研究调试 控制器算法更加方便易行 d s p a c e 标准组件系统的设计是将实时运算处理系统和提供用户接口的系统 完全分开 所有的d s p a c e 标准组件板都必须至少配置一块处理器板 所有的 d s p a c e 标准组件系统都是以d s l 0 0 5 或d s l 0 0 6 为核心构造的 处理器板通过高速 3 2 位总线 p h s 总线 提供至u i o 板的接口 通过i s a 总线提供到主机的硬件接 口 本文所采用的d s p a c e 系统为d s l 0 0 5 配上一块组建系统i o 板d s 2 2 0 1 作为风 1 0 d s p a c e 仿真开发平台介绍 电半实物仿真平台的控制器 下面对d 1 0 0 5 进行简单的介绍 a 主系统板d s l 0 0 5 b i o 板d s 2 2 0 i 幽22d s p a c e 硬t t 扳 f i 9 22d s p a c eh a r d w a r e8 0 a r d 1 d s l 0 0 5p p c 处理器板一处理器p o w e rp c 7 5 0 g x d s l 0 0 5p p c 处理器板在i 0 管理能力及数字运算能力都非常强 运算能力可 达1 2 6s p e c f p 9 5 2 18s p c e i n t 9 5 其组成多处理器系统的c p u 之间的数据传输 速率 12 5 g b i t s 利用m a t l a b s i m u l i n k 及d s p a c e 的实时接口库 r t i 1 0 0 5 m p 可轻松完成对 d s l 0 0 5 的编程 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下 无需写任何一行代码就可以增减并 设置与d s l 0 0 5 板相连的所有i o 板 代码的生成 编译和下载简化为鼠标的轻轻 一点 对于那些直接用手工编写的c 代码 d s p a c e 提供用来进行初始化和访问i 0 的基奉c 函数 在调试器 编译器和下载软件的帮助下同样可以完成代码向d s l 0 板的下载 d s l 0 0 5 的技术特点如下 处理器 m o t o r o l a 公司的p o w e r l 叩7 5 0 6 x 9 3 3 i z s 3 2 u 最多4 路并行指令 患鬻嚣 荐嚣 湘胂指令缓存 1 26 s p e c i p g s 2 18 s p c e i n t 9 5 存储器 l 船y t e 级缓存 1 6 p 4 b y t e 可存 1 2 删s r 枷主存储器 p h s 3 2 位同步i o 总线 北京交通人学预i 学化论文 总线接口2 0 m b s 传输述辜 对新的i o 接口板挺供2 0 胁 s 传输畦覃 多至6 4 个p i i s 总线中断 h jr 所有i o 扳并行采样驶更新的同步线 升行处理 需d s 9 1 0 g i g a l l i n k 模块 选什 赢述光 t 挂口 传输速率 12 5 g b i t s 晟人可连2 0 个处理器扳 光缆k 度最大能达i o o m 4 条般向连接通道 实时中断处理 计时器两个通h j 定时器 及中断 多处理器系统 时间同步单元 中断控制器 出口 标准u a r tr s 2 3 2 接口 物理特性供电5 v 4 a 1 6 付i s a 总线插槽 d s l 0 0 5 的结构如下 表21d s l 0 0 5 技术特点 t a b l e 2id s l 0 0 5t e c h n o l o g c h a r a c t e r 鲴甲 占曰 喘掣2 h 煅 i l 訾 i 里峄融上 吲1 崮由崮 国一一 图23d s l 0 0 5 结构 h 9 23d s l 0 0 5 1 1 1 1 c 1 1 1 r c 2 组件系统综合i 0 板d s 2 2 0 1 d s 2 2 0 1 综合i o 板提供了2 0 路a d 通道 8 路d a 通道 1 6 路数字i o 通 道 并包含一块t m s 3 2 0 p 1 4 从d s p s l a v ed s p 子系统 可以通过r t l 提供的 s i m u l i n k 的模块方面的设置a d d a 频率测量 方波信号产生 数字i o 和p 州 信号产生 d s p a c e 仿真开发平台介绍 2 5d s p a c e 应用于风力发电仿真研究 传统的风机主控系统的控制器是专业p l c 它们可以实现对风机进行整机控 制 但是在这样的p l c 平台上 研发人员需要花费很大的精力在p l c 编程语言的 学习与调试上 为此 课题组选择d s p a c e 实时仿真系统作为风机控制算法的试验 平台 并且 d s p a c e 还可以作为一个仿真平台使风机的某些设备模型可以虚拟实 现 实现硬件在回路仿真 h i l s 以d s p a c e 实时仿真系统的控制板为核心 再 加上以异步电机模拟的风力机对拖发电机的平台 变桨电机装置平台 工控机检 测系统 就能快速构建一个通用风机测试平台 利用其与m a t a l b s i m u l i n k 无缝 连接的巨大优势 快捷地实现对风机主控不同功能的现实以及算法的验证 同时 也可以实现对风机各部分设备以及整体性能的测试 1 3 北京交通人学硕十学位论文 3 风机的空气动力学及功率控制原理 在风力发电技术的研究和丌发过程中 利用计算机技术建立风电机组的数学 模型并进行仿真 是研究风力发电原理和技术的有效手段 一般来说 建立复杂 程度合适的风机模型能有助于控制策略的研究 本章为说明风机各部分以及控制 的基本原理 参考空气动力学 对风力机各部分建立数学模型并针对j x l 机在额定 风速以下的最大功率追踪控制 m p p t 原理以及额定风速以上的恒功率输出控制 原理分别说明 风力发电机的各部件组成以及控制结构如下图所示t 3 1 风速模型 图3 1 风力发电机的组成及控制结构 f i 9 3 1s t r u c t u r eo f w i n dt u r b i n ea n dc o n t r o l 风是自然界的产物 风速带有随机性和不可控性 然而从长期统计的角度上 风速的变化和分布又是带有一定的规律性 关于风速的分布规律 国内外有不少 的研究 风速分布一般均分j 下偏态分布 通常用于拟合风速分布的线型很多 有 瑞利分布 对数正态分布 r 分布 双参数威布尔分布 三参数威布尔分布等 但 普遍认为双参数威布尔分布适用于风速统计描述的概率密度函数 其结果最接近 风速的实际分布 风速y 的韦布尔分布概率密度函数可表达为 f v 鱼 詈 1e x p c卜 詈 3 1 cc 1 其中 k 为形状参数 c 为尺度参数 其量纲与速度相同 并且与平均风速y 有 关 1 c f 1 3 2 式中 1 1 为完整的伽玛函数 与上式等价的风速v 的累积概率分布函数为 1 4 风机的空气动力学及功率控制原理 v 陟 v 咖 1 一e x p 一 3 3 6 c 形状参数k 的改变对分布曲线形式有很大影响 k 2 在很多情况下是一个典型 值 表示平均风速的变化大 这时候的威布尔分布是瑞利分布 在这种情况下 伽玛函数r 1 1 k 的值为 i 2 o 8 8 6 2 17 1 则尺度参数c 为 c 辈 3 4 c k j q 死 因此 概率密度为 f v 争 砻e x p 卜和2 3 5 本文对风速进行建模 一方面要在风速的分布规律上体现风速的随机性和间 歇性 另一方面又要能反映风的几种基本成分 因此本文对风速建模采用合成风 来表示 合成风速y 基准风速 抖动风速 1 基准风速为 稳态风 渐变风 阵风 1 稳态风 稳态风为平均风速 基本反映风速的平均值恒定在一个值上 1 3 6 2 渐变风 渐变风反映风速的渐变特性 卜t f 1 a t u t l t f 2 其中 a 为风速上升 下降速率 t t 为风速渐变的起始和结束时间 m 1 为起 始风速和最大风速 3 阵风 阵风反映了风速的突然变化特性 v 6 a l s i n b t 7 r i v o 3 8 其中 v 0 为起始风速 4 混合风 混合风为上面3 种风速的合成 前三种基准风的示意如下 鼍 瑙 区 时间魄 a 渐变风 鼍 昌 嘲 区 1 5 时间怕 b 稳态风 j 匕京交通人学硕士学位论文 警 嘲 区 时剜讹 c 阵风 图3 2 三种基准风模型 f i 9 3 2 t h r e ef i d u c i a l l yw i n dm o d e l s 风速模型除了沿着基准风速变化 还受抖动风速a v 变化影响 抖动风速是随 机的 但其整体分布按威稚尔概率分布式 3 5 实现 因此本文对风速的建模的核心是 在一段时间内建立上面4 种风速模型为基准 风 并令y 屹 使风速沿着基准风屹按威布尔概率分布抖动 基于基准风速生成的圪与抖动风速a v 组合成了瞬时风速模型 然而瞬时风速 模型速度变化过大 不能直接用于风机仿真研究 必须对瞬时风速模型进行滤波 滤波后的风速即为有效风速模型 这个有效风速模型即可以被认为是风机j x l 速传 感器采集测量所得的风速值 一般来说 真实风机控制系统对基于这个测回来的 风速值 有效风速模型 的基础上进行进一步统计滤波 得出平均风速 用于风 机的各种控制与监控处理参数 3 2 风力机空气动力学原理 3 2 1 风能计算 由牛顿运动力学可知 气流的动能为 1 8 e 二m 1 2 2 因此 单位时间流过风力机旋转区域的能量为 壹 二y 倒y 22 其中 e 为单位时间流过风轮面的气体动能 i l l 为气体质量 风轮面的气体质量 p 为气体密度 a 为风轮面积 3 2 2 风力机数学模型 1 6 3 9 3 1 0 m 单