（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）基于dspace的風機智能控制半實物仿真研究.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 獨創(chuàng)性聲明 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特別加以標注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫過的研究成果 也不包含為獲得北京交通大學或其他教育機構的學位或證書 而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作 了明確的說明并表示了謝意 學位論文作者簽名 簽字同期 年月日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解北京交通大學有關保留 使用學位論文的規(guī)定 特 授權北京交通大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 并采用影印 縮印或掃描等復制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學校向國 家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤 保密的學位論文在解密后適用本授權說明 學位論文作者簽名 尹潮磁 導師簽名 簽字日期 2 口叩年7 月 日 諑坪 簽字日期 7 年 月屆日 致謝 本論文的工作是在我的導師謝樺教授的悉心指導下完成的 謝樺教授嚴謹?shù)?治學態(tài)度和科學的工作方法給了我極大的幫助和影響 在此衷心感謝兩年來謝樺 老師對我的關心和指導 章亦斌教授悉心指導我們完成了實驗室的科研工作 在學習上和生活上都給 予了我很大的關心和幫助 在此向童亦斌老師表示衷心的謝意 劉展工程師對于我的科研工作和論文都提出了許多的寶貴意見 在此表示衷 心的感謝 在實驗室工作及撰寫論文期間 荊龍博士以及馬天翼 劉寶 劉翼等同學對 我論文中的研究工作給予了熱情幫助 在此向他們表達我的感激之情 另外也感謝家人父親尹健康和母親余艷桃 他們的理解和支持使我能夠在學 校專心完成我的學業(yè) 引言 1 引言 1 1 論文的研究背景 隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展 各國對能源的需求持續(xù)增長 自2 0 世紀7 0 年 代世界第一次石油危機以來 常規(guī)能源告急 加之國際社會對環(huán)境關注程度的不 斷提高 特別是對減少c o 排放等相關國際公約的實施 風能作為一種新的 可 再生清潔能源和替代能源技術受到了世界各國的關注 各國政府紛紛制定優(yōu)惠政 策 鼓勵企業(yè)和個人積極參與風力發(fā)電事業(yè) 加大風電的開發(fā)力度 i 截止到2 0 0 8 年1 2 月底 全球的總裝機容量已經(jīng)超過了1 2 億千瓦 2 0 0 8 年 全球風電增長速 度達到2 8 8 新增裝機容量達到2 7 0 0 萬千瓦 同比增長3 6 預計到2 0 1 0 年 全球風力發(fā)電容量將再翻1 倍 達到1 4 9 5 g w 歐洲風能協(xié)會和綠色和平組織簽署 了 風力1 2 該報告指出 至2 0 2 0 年全球的風力發(fā)電總裝機容量將達到1 2 0 0 g w 2 1 風力發(fā)電總量將占全球總發(fā)電量的1 2 隨著人們對風能技術與市場關注度的增 加 風力發(fā)電已經(jīng)成為一種不可忽視的發(fā)電方式 風力發(fā)電作為最有商業(yè)發(fā)展前 景和綠色環(huán)保的新興產(chǎn)業(yè) 已經(jīng)成為解決世界能源和環(huán)保問題的重要力量 1 1 1國內(nèi)外風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 風力發(fā)電的蘊藏量巨大 全球風能資源總量約為2 7 4 1 0 9 m w 其中可利用的風 能為2 1 0 7 m w 2 0 0 8 年 歐洲 北美和亞洲仍然是世界風電發(fā)展的三大主要市場 三大區(qū)域新增裝機分別是 8 8 7 7 8 8 8 1 和8 5 8 9 萬千瓦 占世界風電裝機總容量 的9 0 以上 從國別來看 美國超過德國 躍居全球風電裝機容量首位 同時也成 為第二個風電裝機容量超過2 0 0 0 萬千瓦的風電大國 除了傳統(tǒng)的風電大國之外 英國 法國 加拿大 澳大利亞 日本 以及東歐的波蘭等國也開始加速發(fā)展風 電 2 0 0 8 年 風電累計裝機超過3 0 0 萬千瓦的國家已經(jīng)達n 8 個 2 0 0 0 年還只有5 個 超過1 0 0 萬千瓦的已經(jīng)有1 3 個 風電已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)普遍接受的替代能源技 術 中國風能儲量很大 分布面廣 僅陸地上的風能儲量就有約2 5 3 億千瓦 開 發(fā)利用潛力巨大 十五 期間 中國的并網(wǎng)型風力發(fā)電技術得到迅速發(fā)展 2 0 0 6 年 中國風電累計裝機容量已經(jīng)達至1 j 2 6 0 萬千瓦 成為繼歐洲 美國和印度之后發(fā) 展風力發(fā)電的主要市場之一 2 0 0 7 年以來 中國風電產(chǎn)業(yè)規(guī)模延續(xù)暴發(fā)式增長態(tài) 北京交通人學碩士學位論文 勢 2 0 0 8 年中國新增風電裝機容量達至u 7 1 9 0 2 萬千瓦 新增裝機容量增長率達到 1 0 8 4 累計裝機容量躍過1 3 0 0 萬千瓦大關 達至u 1 3 2 4 2 2 萬千瓦 超過印度 成 為亞洲第一 世界第四的風電大國 同時躋身世界風電裝機容量超千萬千瓦的風 電大國行列 預計2 0 1 0 年全國累計風電裝機容量有望突破2 0 0 0 萬千瓦 提f j 實現(xiàn) 2 0 2 0 年的規(guī)劃目標 3 1 1 1 2 風電技術發(fā)展現(xiàn)狀 風能轉換系統(tǒng)可以按照氣動阻力和氣動升力分類 4 早期的垂直軸風輪利用的 是阻力原理 但是阻力設備的功率效率很低 最高約為o 1 6 現(xiàn)代風力機主要基 于氣動升力原理 利用氣動升力的風力機可以根據(jù)轉軸位置細分為水平軸風力機 和垂直軸風力機 水平軸或稱旋槳式風力機是目前風力機應用的主流 水平軸風 力機由塔架和安裝在塔頂?shù)陌l(fā)電機艙構成 發(fā)電機艙包括發(fā)電機 齒輪箱和風輪 在小型風力機中 風輪和機艙通過尾翼定向迎風 在大型風力機中 風輪和機艙 根據(jù)j x l 向標信號 用電氣控制偏航使其迎風或背風 水平軸風力機的槳葉數(shù)量取決于風力機的用途 通常兩葉或三葉風力機用于 發(fā)電 目前 三槳葉風力機統(tǒng)治者并網(wǎng)水平軸風力機市場 三槳葉風力機的優(yōu)點 是風輪慣性力矩更易于理解 因此通常比兩槳葉風力機的慣性力矩更容易控制 而且 三槳葉風力機比兩槳葉風力機更美觀 噪音更低 這兩點對于在人口稠密 地區(qū)使用風力機是重要的考慮因素 兩槳葉風力機的優(yōu)點是塔架頂部重量較輕 因而整個支撐結構可以建造得較輕 相應的成本就有可能更低 視覺效果和噪音 水平對近海風電場并不重要 低成本可能更有吸引力 從而使兩槳葉風力機在近 海風力機市場中得到發(fā)展 風力發(fā)電機是風電機組的重要組成部件 除了將機械能轉化為電能 通過控 制發(fā)電機轉速還能調(diào)節(jié)風機發(fā)電效率 近年來國內(nèi)外科研人員對于風力發(fā)電機展 開了廣泛的研究工作 5 7 風力發(fā)電機分恒速風力機和變速風力機 a 恒速風力機 上世紀9 0 年代 風力機一般采用籠型感應發(fā)電機 電機以恒速的方式運行 這意味著無論風速大小 風力機的風輪轉速總是固定的 并且由電網(wǎng)頻率 齒輪 變速比和發(fā)電機的設計決定風力機發(fā)電效率 恒速風力機裝有直接并網(wǎng)的感應發(fā) 電機 鼠籠型或繞線轉子型 軟啟動器和減少無功功率補償?shù)碾娙萜鹘M 在特定 風速時能達到最大效率 恒速風力機的優(yōu)點是簡單 堅固耐用 可靠 成熟 且 電氣部分成本低 缺點是有不可控的無功消耗 機械應力和有限的電能質(zhì)量控制 恒速風力機組的拓撲圖1 1 下所示 2 引言 圖1 1 恒速風機結構 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 變速風力機 在近年來 變速風力機已經(jīng)成為主流 變速風力機在很寬的風速范圍內(nèi)都能 達到最大氣動效率 變速運行使它可以連續(xù)地調(diào)節(jié) 加速或減速 風力機轉速緲以 適應風速v 的變化 這種方式下 葉尖速比a 在對應最大功率系數(shù)的設定值上保 持恒定 與恒速系統(tǒng)相比 變速系統(tǒng)的發(fā)電機轉矩相當恒定 風速變化被發(fā)電機 轉速的變化所吸收 目前 主流的變速風力機有雙饋感應發(fā)電機 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 和永磁同步發(fā)電機 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 雙饋型風機采用部分功率變流器 因此變流器容量可按機組容 量的1 3 左右選取 但雙饋型風機由于存在齒輪箱 噪音大并且后期維護量大 直 驅型永磁同步電機優(yōu)點是省去了齒輪箱 缺點是永磁同步電機體積大 造價高 全功率變流器成本也較高 a 雙饋風力發(fā)電機 b 直驅犁永磁同步風機 圖1 2 變速風力機結構 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 現(xiàn)在常見的并網(wǎng)大型風力發(fā)電機組除了由風力機和發(fā)電機 還包括塔架 變 槳系統(tǒng) 偏航系統(tǒng) 變流器 輸變電裝置及風機主控系統(tǒng) 變槳裝置調(diào)節(jié)槳葉槳 矩角達到風能利用效率的改變 偏航裝置用于使風機始終跟蹤風向 而主控系統(tǒng) 則負責整套風機的控制及監(jiān)測 隨著空氣動力學 材料 發(fā)電機技術 變流技術 3 北京交通大學碩士學位論文 計算機和控制技術的發(fā)展 風力發(fā)電的發(fā)展極為迅速 單機容量不斷增大 從最 初的數(shù)十瓦級發(fā)展到兆瓦級機組 大型風力發(fā)電機組對系統(tǒng)運行可靠性 發(fā)電質(zhì) 量以及風能利用效率等提出了更高的要求 相應的風電機組控制技術也不斷提出 更高的要求 主控技術的優(yōu)劣直接對風機的運行等各方面有著至關重要的影響 1 1 3 風力發(fā)電仿真研究技術現(xiàn)狀 隨著風電產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)的飛速發(fā)展 為降低風力發(fā)電成本 提高風能利 用效率 風電機組的容量越來越大 這對風電機組的設計制造 控制系統(tǒng)設計以 及風電相關設備提出了更高的要求 相關課題的研究也不斷增多 在研發(fā)過程中 傳統(tǒng)的實物測試調(diào)試盡管是很必要 然而 在風電機組相關 技術的開發(fā)過程尤其是大型風電機組 風電場現(xiàn)場調(diào)試收到了極大的限制 風電 場氣象條件的不定性 高昂的風電場測試費用 大量的人力資源耗費以及調(diào)試的 極不方便都極大的制約了風電技術的開發(fā)調(diào)試 正因為風電設備研發(fā)過程中上風 電場實驗調(diào)試的困難 因此在實驗室條件下對風力發(fā)電技術進行仿真研究成為研 究風力發(fā)電技術的重要手段 目前 仿真手段有2 種 離線式仿真與半實物實時仿真 離線式仿真手段完全 不受氣象等外面條件的影響 并且投入成本低 一般情況下 一臺主流微型計算 機以及仿真軟件 如m a t l a b s i m u l i n k 即可開展仿真工作 仿真模型和控制系統(tǒng) 的開發(fā)采用數(shù)學模型建立與求解的方法來研究 理論技術的開發(fā) 算法方案設計 以及調(diào)試都極為方便 正因為風電設備研發(fā)過程中上風電場實驗調(diào)試的困難 因 此成本較低的離線式軟件仿真的手段逐漸在風力發(fā)電機組的研究和測試領域得到 了越來越廣泛的應用 0 1 然而 離線式軟件仿真對于設備技術的研發(fā)也存在致命的弱點 離線不實時 性 時間上無法同步 不考慮真實的設備 因此無法得到真實的反饋數(shù)據(jù)以及一 些由于實物 環(huán)境等造成的誤差影響 一些由于實物和環(huán)境造成的影響因素 如 設備通信速率 環(huán)境溫度等在離線式仿真中也難以實現(xiàn) 缺乏真實性 因此在計 算機上仿真得出來的一些設計方案和控制算法由于忽略真實實物環(huán)境因素的影響 而缺乏說服力 研究效果和結論難以令人信服 半實物實時仿真能在實驗室的環(huán)境下解決離線式仿真無法克服的缺點 1 實時性 實時仿真具有離線式仿真無法實現(xiàn)的時效性 能真正反映設備和控制算 法的實際時序性的效果 2 實物反饋信號 半實物仿真平臺具有真實的反饋信 號 一些在離線式仿真無法或很難考慮的參數(shù)和信號 如轉動慣量 摩擦力 環(huán) 境對設備和控制的影響 控制信號的傳輸速率對仿真的影響等等 在半實物實時 4 引言 仿真平臺都能體現(xiàn)出來 3 在線調(diào)試的方面性 半實物仿真器對控制算法的在 線調(diào)試相當很方便 而且基于實物模型 使得研究的算法的可信程度加大 國內(nèi)外對風力發(fā)電半實物實時仿真研究的關注度越來越大 文獻 1 1 用直流 電機加飛輪來模擬風力機特性 用2 0 k w 的永磁同步電機模擬2 m w 永磁同步電機 文 獻 1 2 1 3 3 的仿真平臺都同樣采用直流電機模擬風力機特性 通過工控機上位 模擬風輪程序給出控制信號控制晶閘管調(diào)速器調(diào)節(jié)直流電機 文獻 1 4 采用2 套 d s p a c e 系統(tǒng) 一套模擬1 5 m w 雙饋電機 另一套作控制器 實現(xiàn)閉環(huán)數(shù)字仿真 1 2 論文研究目的和意義 目前 隨著我國對風力發(fā)電的關注度越來越大 國內(nèi)的風電產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃 迅速發(fā)展 各方面的技術水平與經(jīng)驗也顯著增強 然而 不可否認 我國的風力 發(fā)電技術水平跟國外仍然有較大的差距 尤其是主控 變槳裝置 變流器都依賴 進口 掌握風電相關技術的自主知識產(chǎn)權已成為我國風電產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的關鍵 問題 而隨著風電相關技術的進一步開發(fā) 由于風電設備上風場實驗調(diào)試的困難不 便 離線式仿真也不足以應對風電技術的研發(fā)要求 因此在實驗室條件下研究搭 建一套完善大型風電機組半實物實時仿真開發(fā)平臺是十分有必要的 本文的工作 就是圍繞風力發(fā)電半實物仿真在實驗室條件下搭建一個具有真實風機特性 良好 的外界接口 從風到電網(wǎng)的一整套風電平臺 并在此平臺的基礎上對風機主控原 理和算法進行研究 1 3 論文研究的主要內(nèi)容 論文主要基于d s p a c e 系統(tǒng)搭建了一套在實驗室環(huán)境下的大型風電機組半實物 實時仿真實驗平臺 并在此實驗平臺上研究了大型風機的主控系統(tǒng)并對大型風機 的控制算法進行了探討 本文的主要工作如下 1 圍繞風力機的空氣動力學原理和風力機的功率控制策略進行理論研究 重點闡述了目前在額定風速以下幾種風機的最大功率追蹤原理算法 m p p i 包括 最優(yōu)葉尖速比法 功率信號反饋法 爬山法以及提出了一種改良型最優(yōu)功率追蹤 法 還闡述了在額定風速以上變槳型風機的恒功率輸出控制 針對該階段下風機 的變槳控制原理進行描述 分析并比較了風機這些控制算法的特點以及各自的優(yōu) 缺點 2 圍繞風電場風電機組的控制系統(tǒng)原理展開研究 風電場控制系統(tǒng)分三級 5 北京交通人學碩士學位論文 風電場級控制 機組級控制 回路級控制 本文就這三個級別的控制原理分別進 行闡述 風電場級控制為風電場的整體調(diào)度控制 機組級控制接受風電場給出的 控制參考值給出風機各個設備的控制命令 回路級控制為變流 偏航 變槳等設 備的控制算法 3 為了能在實驗室環(huán)境條件下對大型風力發(fā)電機組的相關技術進行研究 本文基于d s p a c e 仿真系統(tǒng)的搭建了一套風力發(fā)電機組仿真測試平臺 平臺以半 實物仿真的方式搭建 利用d s p a c e 系統(tǒng)在線計算風速模擬風輪機的轉矩特性 給變頻器轉矩信號以控制異步電機模擬風力機的轉矩輸出特性 以p w m 整流器加 異步電機作為風力發(fā)電機 兩電機同軸對拖 在兩機之間的軸上裝配飛輪模擬真 實風力機的槳葉轉動慣量以模擬真實風機的動態(tài)特性 平臺還采用真實變槳裝置 通過p l c 與仿真平臺相連 與d s p a c e 之間實現(xiàn)槳矩控制信號與槳矩角角度值的 相互傳輸 d s p a c e 系統(tǒng)作為風電仿真平臺的主控制器和部分虛擬模型在回路仿真 的功能實現(xiàn) 并且與工控機之間通過總線相連 與工控機配合實現(xiàn)風機仿真平臺 的監(jiān)控功能 4 基于d s p a c e 與m a t l a b s i m u l i n k 的無縫連接 在s i m u l i n k 上設計了風 機主控程序算法以及部分虛擬數(shù)學模型 如風速模型 風輪轉矩特性模擬 偏航 系統(tǒng)模擬等 并通過風力發(fā)電半實物仿真平臺進行整體的連調(diào)與測試 在基于風 機的特性原理以及風機控制策略的分析 并通過大量實驗波形 實驗數(shù)據(jù)進行分 析總結 驗證了風力發(fā)電仿真平臺的實驗效果以及風機控制策略技術方面研究的 正確性與可行性 6 d s p a c e 仿真開發(fā)平臺介紹 2d s p a c e 仿真開發(fā)平臺介紹 2 1d s p a c e 介紹 在控制算法研究時 基于m a t l a b s i m u li n k 開發(fā)的控制算法可以對控制算法效 果實現(xiàn)反復的調(diào)試實驗直至找到最佳的控制算法方案 然而從控制算法到控制器 的制成卻需要耗費大量的時間和人力 對一些大型的科研應用項目 如果完全遵 循過去的開發(fā)過程 由于開發(fā)過程中會有軟件的更改 控制器存在缺陷 硬件環(huán)境 的不可靠等不明因素的存在 使得項目周期長 費用高 甚至還可能導致項目的 失敗 因此 在開發(fā)的初期階段就引入各種試驗手段 并有可靠性高的實時軟 硬 件環(huán)境做支持 有助于科研的研究 達到事半功倍的效果 另外 當產(chǎn)品型控制器生產(chǎn)出來后 由于控制對象可能還處于研制階段 或 者控制對象很難得到 這就需要找到合適的方法能在早期對立地完成對控制器進 行測試 d s p a c e 實時仿真系統(tǒng)可以很好的解決上面的問題 d s p a c e 實時仿真系統(tǒng)是由 德國d s p a c e 公司開發(fā)的一套基于實時半實物仿真技術的控制系統(tǒng)開發(fā)及測試的工 作平臺 d s p a c e 系統(tǒng)既包括硬件 又包括軟件 其軟件能夠與m a t l a b s i 刪li n k 完 全無縫連接 高度自動化的代碼生成 下載和友好的試驗 調(diào)試軟件環(huán)境使得應用 開發(fā)過程快速易行 其專用硬件性能強勁 具有高速計算和信號i 0 能力 能夠 應對各種控制工程和相關應用領域的開發(fā)和測試需求 半實物仿真大概可以概括為兩種 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 提供了這兩方面應用的統(tǒng)一平臺 這兩方面應用的區(qū)別僅僅是 在r c p 中 d s p a c e 的仿真對象是控制器 實現(xiàn)了控制器的功能 而在h i l s 中 d s p a c e 的仿真對象是設備或環(huán)境 實現(xiàn)了某一設備或外環(huán)境的功能 d s p a c e 實時仿真系統(tǒng)具有很多其他系統(tǒng)所不能比擬的優(yōu)點1 1 5 1 仿真實時性 仿真代碼下載到硬件上 實時運行 2 開發(fā)方便 快速 與m a t l a b 的無縫連接 可以在短期內(nèi)完成對原型的反 復更改和試驗 3 調(diào)試方便 通過d s p a c e 提供的c o n t r o l d e s k 軟件實現(xiàn)仿真參數(shù)的實時修 改 加快調(diào)試過程 4 廣泛適用性 d s p a c e 在設計時就考慮了大多數(shù)用戶的需求 設計了標準 組件系統(tǒng) 可以對系統(tǒng)進行多種組合 對不同用戶而言 可以在運算速度不同的 多種處理器 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 之間進行選擇 最快的處理器浮點運算速度高達1 0 0 0 m f l o p s i o 也具有廣 7 北京交通人學碩士學位論文 泛的可選性 通過選擇不同的i o 配置 即可組成不同的應用系統(tǒng) 5 使用靈活 既可以自動生成代碼 也可以手工編制代碼 以適應用戶各 方面的應用需求 而且d s p a c e 是一種實時硬件平臺 用戶用d s p a c e 完成一種產(chǎn) 品的設計和測試后 還可以d s p a c e 開發(fā)其它新品或進行實時仿真測試 2 2d s p a c e 軟件 利用d s p a c e 仿真進行開發(fā)需要用到一套其自身提供的計算機輔助控制系統(tǒng)設 計工具組 其開發(fā)過程依次建立模型 離線仿真 設置實時i o 生成代碼 編譯 及下載 試驗 主要基于以下軟件 1 m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 用來對模型進行分析 設計 優(yōu)化和數(shù)據(jù)的 離線處理 2 m a t h w o r k s 公司的s i m u l i n k 用來進行方框圖的控制系統(tǒng)離線仿真 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 用來從方框圖生成可執(zhí)行 的c 代碼 r t w 是m a t a l b 圖形建模和s i m u l i n k 仿真環(huán)境的一個重要的補充功能模塊 簡而言之 它是一個基于s i m u l i n k 的代碼自動生成環(huán)境 它能直接從s i m u l i n k 的 模型中產(chǎn)生優(yōu)化的 可移植的和個性化的代碼 并根據(jù)目標配置自動生成多種環(huán) 境下的程序 在d s p a c e 實時仿真系統(tǒng)中 用r t w 來從方框圖生成可執(zhí)行的c 代碼 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 用來使代碼可以在處理器目 標系統(tǒng)中運行 r t i 是連接d s p a c e 實時系統(tǒng)與m a t a l b s i m u l i n k 的紐帶 r t i 對 s i m u l i n k 庫進行了擴展 利用這些框圖不需要另外寫任何代碼 就能完成包括i o 接口及初始化過程的設置 同時對r t w 進行擴展 可實現(xiàn)從s i m u l i n k 模型到d s p a c e 實時硬件代碼的自動下載 r t i 與r t w 聯(lián)合生成d s p a c e 硬件所需要的代碼 實現(xiàn)了 m a t l a b s i m u li n k 到d s p a c e 的無縫連接 r t i 的使用方法就是用圖形方式從d s p a c e 的r t i 庫中選定相應的i o 模型 將其 拖放到用s i m u l i n k 搭建的系統(tǒng)模型方框圖中 并指定i o 參數(shù)以完成對它的選定 選定后 只要鼠標點一下r t w 對話框中的 b u il d 命令 r t i 就會自動編譯 下載 并啟動實時模型 另外 r t i 還根據(jù)信號和參數(shù)產(chǎn)生一個變量文件 可以用來進行 變量的訪問 5 d s p a c e 公司的c o n t r o l d e s k 用來對閉環(huán)實驗進行交互操作 自動 手動 例如在線調(diào)整參數(shù) 數(shù)據(jù)顯示及記錄等 當用戶使用d s p a c e 的r t i 軟件完成建模并用r t w 產(chǎn)生可執(zhí)行目標代碼及系統(tǒng)描 述文件 術 s d f 后 就可以將實時代碼的下載 信號監(jiān)視及參數(shù)調(diào)整任務交由 c o n t r o l d e s k 軟件來完成 c o n t r o l d e s k 軟件提供了如下功能 d s p a c e 仿真開發(fā)平臺介紹 對實時硬件的圖形化管理 c o n t r o l d e s k 可以方便對硬件進行注冊和管理 并 利用w i n d o w s 拖放方式方便的完成目標程序的下載 用s t a r t 和s t o p 來控制實時程 序的啟動和停止 用戶虛擬儀表的建立 用戶可以從儀表庫中采用拖放方式建立所需的虛擬儀 表 通過建立的虛擬儀表與實時程序進行動態(tài)數(shù)據(jù)交換 跟蹤實時曲線 完成在 線修改參數(shù) 并能記錄實時數(shù)據(jù) 實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)回放等 變量的可視化管理 c o n t r o l d e s k 可以以圖形方式訪問r t i 生成的變量文件 木 p a r 通過拖放操作在變量和虛擬儀表之間建立聯(lián)系 除了訪問一般變量外 還可以訪問諸如采樣時間 中斷優(yōu)先級 程序執(zhí)行時間的等其他與實時操作相關 的變量 2 3d s p a c e 開發(fā)步驟 d s p a c e 實時仿真系統(tǒng)功能強大 它既可以和實際控制對象相連 稱為快速控制 原型 這時它起控制器的作用 也可以和實際控制器相連 稱為硬件在回路仿真 這時它起被控對象的作用 對于用戶而言 基于d s p a c e 的仿真系統(tǒng)丌發(fā)步驟包括以下幾點 1 m a t l a b s i m u l i n k 建立模型 設計控制方案并進行離線仿真 2 在m a t l a b s i m u l i n k 模型從d s p a c e 提供的r t i 庫中加入輸入 輸出模塊 替換原來的邏輯連接關系 并對i o 參數(shù)進行配置 3 通過r t wb u il d 命令完成目標系統(tǒng)的實時c 代碼的生成 編譯連接和下 載 將模型編譯為c 代碼程序下載到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 實現(xiàn)實時在線的參數(shù)修改 仿 真數(shù)據(jù)獲取 基于d s p a c e 仿真系統(tǒng)的開發(fā)流程圖如下 9 北京交通人學碩十學位論文 圖2 1d s p a c e 開發(fā)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 硬件介紹 d s1 0 0 5 d s p a c e 的硬件系統(tǒng)分智能化單板系統(tǒng)和標準組件系統(tǒng) l 引 單板系統(tǒng)是將負責程序算法運行的c p u 系統(tǒng)和負責電氣信號輸入輸出的i o 系統(tǒng)部分集成在一個版卡上 結構緊湊 使用設置方便 單板系統(tǒng)方案具有豐富 的i o 資源 提供了控制器方案設計及代碼生成和下載所需的一切 使研究調(diào)試 控制器算法更加方便易行 d s p a c e 標準組件系統(tǒng)的設計是將實時運算處理系統(tǒng)和提供用戶接口的系統(tǒng) 完全分開 所有的d s p a c e 標準組件板都必須至少配置一塊處理器板 所有的 d s p a c e 標準組件系統(tǒng)都是以d s l 0 0 5 或d s l 0 0 6 為核心構造的 處理器板通過高速 3 2 位總線 p h s 總線 提供至u i o 板的接口 通過i s a 總線提供到主機的硬件接 口 本文所采用的d s p a c e 系統(tǒng)為d s l 0 0 5 配上一塊組建系統(tǒng)i o 板d s 2 2 0 1 作為風 1 0 d s p a c e 仿真開發(fā)平臺介紹 電半實物仿真平臺的控制器 下面對d 1 0 0 5 進行簡單的介紹 a 主系統(tǒng)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 處理器板一處理器p o w e rp c 7 5 0 g x d s l 0 0 5p p c 處理器板在i 0 管理能力及數(shù)字運算能力都非常強 運算能力可 達1 2 6s p e c f p 9 5 2 18s p c e i n t 9 5 其組成多處理器系統(tǒng)的c p u 之間的數(shù)據(jù)傳輸 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 的實時接口庫 r t i 1 0 0 5 m p 可輕松完成對 d s l 0 0 5 的編程 在m a t l a b s i m u l i n k 環(huán)境下 無需寫任何一行代碼就可以增減并 設置與d s l 0 0 5 板相連的所有i o 板 代碼的生成 編譯和下載簡化為鼠標的輕輕 一點 對于那些直接用手工編寫的c 代碼 d s p a c e 提供用來進行初始化和訪問i 0 的基奉c 函數(shù) 在調(diào)試器 編譯器和下載軟件的幫助下同樣可以完成代碼向d s l 0 板的下載 d s l 0 0 5 的技術特點如下 處理器 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 患鬻囂 薦囂 湘胂指令緩存 1 26 s p e c i p g s 2 18 s p c e i n t 9 5 存儲器 l 船y t e 級緩存 1 6 p 4 b y t e 可存 1 2 刪s r 枷主存儲器 p h s 3 2 位同步i o 總線 北京交通人學預i 學化論文 總線接口2 0 m b s 傳輸述辜 對新的i o 接口板挺供2 0 脅 s 傳輸畦覃 多至6 4 個p i i s 總線中斷 h jr 所有i o 扳并行采樣駛更新的同步線 升行處理 需d s 9 1 0 g i g a l l i n k 模塊 選什 贏述光 t 掛口 傳輸速率 12 5 g b i t s 晟人可連2 0 個處理器扳 光纜k 度最大能達i o o m 4 條般向連接通道 實時中斷處理 計時器兩個通h j 定時器 及中斷 多處理器系統(tǒng) 時間同步單元 中斷控制器 出口 標準u a r tr s 2 3 2 接口 物理特性供電5 v 4 a 1 6 付i s a 總線插槽 d s l 0 0 5 的結構如下 表21d s l 0 0 5 技術特點 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 里嶧融上 吲1 崮由崮 國一一 圖23d s l 0 0 5 結構 h 9 23d s l 0 0 5 1 1 1 1 c 1 1 1 r c 2 組件系統(tǒng)綜合i 0 板d s 2 2 0 1 d s 2 2 0 1 綜合i o 板提供了2 0 路a d 通道 8 路d a 通道 1 6 路數(shù)字i o 通 道 并包含一塊t m s 3 2 0 p 1 4 從d s p s l a v ed s p 子系統(tǒng) 可以通過r t l 提供的 s i m u l i n k 的模塊方面的設置a d d a 頻率測量 方波信號產(chǎn)生 數(shù)字i o 和p 州 信號產(chǎn)生 d s p a c e 仿真開發(fā)平臺介紹 2 5d s p a c e 應用于風力發(fā)電仿真研究 傳統(tǒng)的風機主控系統(tǒng)的控制器是專業(yè)p l c 它們可以實現(xiàn)對風機進行整機控 制 但是在這樣的p l c 平臺上 研發(fā)人員需要花費很大的精力在p l c 編程語言的 學習與調(diào)試上 為此 課題組選擇d s p a c e 實時仿真系統(tǒng)作為風機控制算法的試驗 平臺 并且 d s p a c e 還可以作為一個仿真平臺使風機的某些設備模型可以虛擬實 現(xiàn) 實現(xiàn)硬件在回路仿真 h i l s 以d s p a c e 實時仿真系統(tǒng)的控制板為核心 再 加上以異步電機模擬的風力機對拖發(fā)電機的平臺 變槳電機裝置平臺 工控機檢 測系統(tǒng) 就能快速構建一個通用風機測試平臺 利用其與m a t a l b s i m u l i n k 無縫 連接的巨大優(yōu)勢 快捷地實現(xiàn)對風機主控不同功能的現(xiàn)實以及算法的驗證 同時 也可以實現(xiàn)對風機各部分設備以及整體性能的測試 1 3 北京交通人學碩十學位論文 3 風機的空氣動力學及功率控制原理 在風力發(fā)電技術的研究和丌發(fā)過程中 利用計算機技術建立風電機組的數(shù)學 模型并進行仿真 是研究風力發(fā)電原理和技術的有效手段 一般來說 建立復雜 程度合適的風機模型能有助于控制策略的研究 本章為說明風機各部分以及控制 的基本原理 參考空氣動力學 對風力機各部分建立數(shù)學模型并針對j x l 機在額定 風速以下的最大功率追蹤控制 m p p t 原理以及額定風速以上的恒功率輸出控制 原理分別說明 風力發(fā)電機的各部件組成以及控制結構如下圖所示t 3 1 風速模型 圖3 1 風力發(fā)電機的組成及控制結構 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 風是自然界的產(chǎn)物 風速帶有隨機性和不可控性 然而從長期統(tǒng)計的角度上 風速的變化和分布又是帶有一定的規(guī)律性 關于風速的分布規(guī)律 國內(nèi)外有不少 的研究 風速分布一般均分j 下偏態(tài)分布 通常用于擬合風速分布的線型很多 有 瑞利分布 對數(shù)正態(tài)分布 r 分布 雙參數(shù)威布爾分布 三參數(shù)威布爾分布等 但 普遍認為雙參數(shù)威布爾分布適用于風速統(tǒng)計描述的概率密度函數(shù) 其結果最接近 風速的實際分布 風速y 的韋布爾分布概率密度函數(shù)可表達為 f v 魚 詈 1e x p c卜 詈 3 1 cc 1 其中 k 為形狀參數(shù) c 為尺度參數(shù) 其量綱與速度相同 并且與平均風速y 有 關 1 c f 1 3 2 式中 1 1 為完整的伽瑪函數(shù) 與上式等價的風速v 的累積概率分布函數(shù)為 1 4 風機的空氣動力學及功率控制原理 v 陟 v 咖 1 一e x p 一 3 3 6 c 形狀參數(shù)k 的改變對分布曲線形式有很大影響 k 2 在很多情況下是一個典型 值 表示平均風速的變化大 這時候的威布爾分布是瑞利分布 在這種情況下 伽瑪函數(shù)r 1 1 k 的值為 i 2 o 8 8 6 2 17 1 則尺度參數(shù)c 為 c 輩 3 4 c k j q 死 因此 概率密度為 f v 爭 礱e x p 卜和2 3 5 本文對風速進行建模 一方面要在風速的分布規(guī)律上體現(xiàn)風速的隨機性和間 歇性 另一方面又要能反映風的幾種基本成分 因此本文對風速建模采用合成風 來表示 合成風速y 基準風速 抖動風速 1 基準風速為 穩(wěn)態(tài)風 漸變風 陣風 1 穩(wěn)態(tài)風 穩(wěn)態(tài)風為平均風速 基本反映風速的平均值恒定在一個值上 1 3 6 2 漸變風 漸變風反映風速的漸變特性 卜t f 1 a t u t l t f 2 其中 a 為風速上升 下降速率 t t 為風速漸變的起始和結束時間 m 1 為起 始風速和最大風速 3 陣風 陣風反映了風速的突然變化特性 v 6 a l s i n b t 7 r i v o 3 8 其中 v 0 為起始風速 4 混合風 混合風為上面3 種風速的合成 前三種基準風的示意如下 鼉 瑙 區(qū) 時間魄 a 漸變風 鼉 昌 嘲 區(qū) 1 5 時間怕 b 穩(wěn)態(tài)風 j 匕京交通人學碩士學位論文 警 嘲 區(qū) 時剜訛 c 陣風 圖3 2 三種基準風模型 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 風速模型除了沿著基準風速變化 還受抖動風速a v 變化影響 抖動風速是隨 機的 但其整體分布按威稚爾概率分布式 3 5 實現(xiàn) 因此本文對風速的建模的核心是 在一段時間內(nèi)建立上面4 種風速模型為基準 風 并令y 屹 使風速沿著基準風屹按威布爾概率分布抖動 基于基準風速生成的圪與抖動風速a v 組合成了瞬時風速模型 然而瞬時風速 模型速度變化過大 不能直接用于風機仿真研究 必須對瞬時風速模型進行濾波 濾波后的風速即為有效風速模型 這個有效風速模型即可以被認為是風機j x l 速傳 感器采集測量所得的風速值 一般來說 真實風機控制系統(tǒng)對基于這個測回來的 風速值 有效風速模型 的基礎上進行進一步統(tǒng)計濾波 得出平均風速 用于風 機的各種控制與監(jiān)控處理參數(shù) 3 2 風力機空氣動力學原理 3 2 1 風能計算 由牛頓運動力學可知 氣流的動能為 1 8 e 二m 1 2 2 因此 單位時間流過風力機旋轉區(qū)域的能量為 壹 二y 倒y 22 其中 e 為單位時間流過風輪面的氣體動能 i l l 為氣體質(zhì)量 風輪面的氣體質(zhì)量 p 為氣體密度 a 為風輪面積 3 2 2 風力機數(shù)學模型 1 6 3 9 3 1 0 m 單