基于dSPACE的風能轉化系統控制器設計
吳定會，紀志成
(江南大學，江蘇無錫214122)
摘要：為實現風能轉化系統控制器的快速開發，介紹了一種基于dsPAcE的風能轉化系統控制器設計方法。該方法利用dsPAcE的快速控制原型方式和dsPAcE系統軟硬件環境，采用M甜ah／simulink的系統建模方法設計了以變速風力鼠籠感應發電機組為例的實時控制系統；并對控制參數進行在線調整，改善實際的性能。實驗結果表明：采用dsPAcE平臺可以快速完成風能轉換系統控制的研究和開發，縮短控制系統的開發周期，獲得滿意效果。
關鍵詞：dsPAcE；快速控制原型；風能轉換系統；實時控制
中圖分類號：TM346· 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)01—0048—03
 O引 言 隨著全球性的常規化石能源日益短缺和人類環保意識的增強，風能發電受到國內各大電力公司和電力企業的關注。其中風電機組核心控制器設計常見解決方案有：多處理器、工業控制計算機、PLc+嵌入式等實時操作系統作為開發平臺[1-2]。但是風能轉換控制系統比較復雜，故障狀態不確定，且控制算法涉及大量的實時計算，需要編寫大量的程序代碼，這些控制平臺的開發周期長。
dsPAcE是一個可用于在線仿真的系統軟硬件平臺[3]，從數據處理速度、響應時間及數據確定性三方面滿足實時系統基本需求的同時，dsPAcE實時內核采用RMs(Reservoir M0deling system)調度策略來滿足實時仿真中自動生成代碼的需求。借助RTw(RealⅡme worksh0P)和RTI(Real—Time In—tefafce)的支持，無需編程，在線模型可以生成實時代碼，并自動編譯、連接、下載到實時硬件中運行[4-5]。基于dsPAcE的風能轉化系統控制器可以
快速解決風機機電控制系統從設計、開發、試驗到定型過程中的重復工作，加快研制周期，減少資源浪費，提升控制系統的研發能力。
本文根據風能轉化系統控制原理，基于dsAPcE構建風電機組控制器硬件開發平臺，利用Matlab／simulink建立風力機模擬和風能轉化系統控制模型，采用RcP方式，在硬件上實時運行，并且給出了實驗結果。實驗結果證明該控制器可實現風能****捕獲等功能。
1控制器硬件設計
基于風能轉化系統控制器硬件基本結構如圖l所示。系統硬件主要有以下五部分組成：Pc機、dsPAcE硬件平臺、信號處理板、變頻器與感應電機構成風力機、逆變器與感應電機構成發電機組。
平臺采用dSPAcE AutoBox硬件系統，其中處理器板dSl005是M0torola公司的P0werPc750，主頻480 Hz，通過以太網與Pc主機進行通信。I／O板ds2210具有模擬量輸入、輸出和PwM輸出功能，I／O板ds4002具有脈寬捕獲等功能，他們適用于多種I／0插槽，通過32位的PHs總線與處理器板dsl005進行通信。信號處理板是標準化與dsPAcE
相連的接口信號，通過信號調理電路，使電流電壓變送器、速度的脈沖編碼器等輸入信號滿足I／O板接圖  口要求，同時輸出模擬電壓和PWM信號。電機采用極對數為4和6的鼠籠感應電機。 該控制器開發平臺中具有風力機模擬、變速風力鼠籠感應發電機組的實時控制系統、系統監控和管理三個功能。
1.1風力機模擬
采用異步交流電動機控制系統，模擬風通過槳葉產生的輸入到發電機的轉矩。它由異步交流電動機、變頻器和dsPAcE軟硬件平臺系統構成。在dsPAcE實現風力機模擬，接口Ds 2201插件通過信號處理板，接收交流電機的相電流、相電壓信號，在dsPAcE實現風力機模擬，模擬風力機輸出轉矩te信號給變頻器，驅動電機。
l.2發電機控制系統
通過控制逆變器PwM來控制發電機的電磁轉矩，它由鼠籠感應發電機、逆變器和dsPAcE硬件平臺構成。dsPAcE接口Ds 2201和Ds-4002插件通過信號處理板接受發電機相電流、相電壓和電機轉速信號，輸出控制發電機轉速轉矩的PwM信號。
1．3控制系統監控和管理
利用dsPAcE軟件系統controlDesk綜合實驗環境，實現對風能轉換系統實時硬件的圖形化管理。在管理系統界面上，可以建立用戶虛擬儀表，可視化管理變量和參數。
2風能轉化系統建模
2.1風力機模擬
根據貝茲理論，風輪機產生的機械功率[7]為：
式中：p為空氣密度；R為風力機風輪半徑；V為風速；C p為風能轉換系數，它是葉尖速比λ和槳葉節距角β的函數。葉尖速比λ為風輪葉尖線速度與風速之比，即圖  為風輪的機械角速度。風輪機產生的風力矩： 式中：C r(λ，β)為轉矩系數，  在額定風速以下時，調節發電機電磁轉矩跟隨風速變化，使Cr(λ，β)達到****值，實現風能的****捕獲；在高于額定風速時，主要通過調節槳葉節距角β，以降低Cp值，使發電機功率保持在額定功率處。仿真中風速由平均風速和脈動風速構成。平均風速值為7 5 m／s，脈動風速由均值為O、標準差為1的高斯隨機函數f1(u)構成。
假設槳葉節距角β固定，則Cr，(λ，β)=Cr(λ)。在上述分析風輪機數學模型的基礎上，利用Matlab仿真環境，構建的仿真模型如圖2所示。
其中，DS4002FTOD頻率模塊采集電機同軸編碼器脈沖信號，濾波和轉換折算成轉子轉速ω，圖中n是系數。風速模塊生成平均風速為7 5m／s的風速，f 1(u)函數是常數月為風力機風輪半徑，利用  計算得到葉尖速比；模型中的轉矩系數為函F數C r(λ)，增益臣=0．5∏p，由式(2)計算得到風力Tω1，最后由DS2201DAC—Bl模塊將信號輸出給變頻器作為轉矩控制信號。 2．2風能轉化控制系統建模
在分析風能轉化系統數學模型的基礎上，本文以風能****功率控制為例，基于Matlab／smulink建立了風能轉化控制系統的仿真模型，系統仿真模型由功率環控制和轉矩環控制兩部分組成。
圖3為功率環控制部分仿真結構圖。由DS4002FTOD頻率模塊可計算出轉子轉速ω1，通
過式(3)得功率參考值，其中λω1是****葉尖速比。
DS2201ADc—B1是12位6通道的A／D模塊，采集發電機的電流電壓信號，由式(4)可計算實際的反饋功率P，將參考功率和反饋功率送人PI調節器，控制器輸出是參考轉矩Ttqref。
圖4是鼠籠感應發電機轉矩環控制部分仿真結構圖。該系統基于dSPACE的感應發電機在線模型設計[6-7]，圖中主要包括矢量控制模塊、Ud、Uq生成模塊、坐標變換模塊、轉矩控制模塊、sVPwM模塊和信號輸入、輸出模塊。發電機轉矩環控制部分的輸入信號是由功率環控制部分輸出參考轉矩、電機轉速和相電流組成；輸出信號由sVPwM模塊生成
PwM信號送給DS2201PwM模塊。DS2201PwM模塊將PWM信號經過隔離給逆變電路，控制發電機轉矩。
3實驗結果
實驗中風力機采用6極3.7 kw／400 V的感應電動機，額定轉速為l400r／mim；發電機采用4極3．7 kw／400V的感應發電機，逆變器中的PwM開關頻率設為10 kHz。風速變化范圍在5～11 m／s。采用Maltlab／Simulink組建仿真控制模型，編譯下載至dSPACE系統，實現風能轉換系統控制器的設計、實時仿真。實時仿真采用歐拉數值積分方法(ODEl)，采樣周期為50μs，PwM周期為100μs。利用dsPAcE提供的各種接口板，在原型控制器和控制對象之間搭建實時控制系統，實現快速控制原型(RcP)設計。在控制算法模型中通過實時接口模塊RTI來直接訪問dSPACE的L／O口，對整個控制系統進行在線調參(如比例、積分系數等)，逐步確定系統的參數值，驗證控制器的可行性和整個控制系統的性能。
****葉尖比實驗中，在λopt=7情況下觀察葉尖速比λ和風能轉換系數Cp，圖5是風速的模擬曲線，圖6為實際葉尖速比λ實驗曲線，圖7為風能轉換系數Cp實驗曲線。實驗結果表明：利用dsPAcE建立的風能轉換系統功率跟蹤控制系統穩定可靠，且具有動態響應快，超調量小，整個系統獲得了很好的控制。
4結語
采用dsPAcE的在線仿真方法，實現基于dsPAcE的風電機組核心控制器的快速研發，將風力發電機控制算法用于實時硬件平臺上實現，實時觀測控制系統的性能，可以快速實現風能轉換控制系統的設計。實驗驗證了該設計方法的有效性，縮短了開發周期，提高了系統的可靠性，降低了系統總的開發成本，為風能轉換控制系統的設計提供了新的思路和方法。
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