（電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)論文）基于dspace的風(fēng)機(jī)智能控制半實(shí)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(dú)創(chuàng)性聲明 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特別加以標(biāo)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(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書 而使用過的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作 了明確的說明并表示了謝意 學(xué)位論文作者簽名 簽字同期 年月日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解北京交通大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 特 授權(quán)北京交通大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 并采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學(xué)校向國 家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明 學(xué)位論文作者簽名 尹潮磁 導(dǎo)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(dǎo)師謝樺教授的悉心指導(dǎo)下完成的 謝樺教授嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?治學(xué)態(tài)度和科學(xué)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(duì)我的關(guān)心和指導(dǎo) 章亦斌教授悉心指導(dǎo)我們完成了實(shí)驗(yàn)室的科研工作 在學(xué)習(xí)上和生活上都給 予了我很大的關(guān)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(xué)對(duì) 我論文中的研究工作給予了熱情幫助 在此向他們表達(dá)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(xué) 校專心完成我的學(xué)業(yè) 引言 1 引言 1 1 論文的研究背景 隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展 各國對(duì)能源的需求持續(xù)增長 自2 0 世紀(jì)7 0 年 代世界第一次石油危機(jī)以來 常規(guī)能源告急 加之國際社會(huì)對(duì)環(huán)境關(guān)注程度的不 斷提高 特別是對(duì)減少c o 排放等相關(guān)國際公約的實(shí)施 風(fēng)能作為一種新的 可 再生清潔能源和替代能源技術(shù)受到了世界各國的關(guān)注 各國政府紛紛制定優(yōu)惠政 策 鼓勵(lì)企業(yè)和個(gè)人積極參與風(fēng)力發(fā)電事業(yè) 加大風(fēng)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(jī)容量已經(jīng)超過了1 2 億千瓦 2 0 0 8 年 全球風(fēng)電增長速 度達(dá)到2 8 8 新增裝機(jī)容量達(dá)到2 7 0 0 萬千瓦 同比增長3 6 預(yù)計(jì)到2 0 1 0 年 全球風(fēng)力發(fā)電容量將再翻1 倍 達(dá)到1 4 9 5 g w 歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織簽署 了 風(fēng)力1 2 該報(bào)告指出 至2 0 2 0 年全球的風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到1 2 0 0 g w 2 1 風(fēng)力發(fā)電總量將占全球總發(fā)電量的1 2 隨著人們對(duì)風(fēng)能技術(shù)與市場(chǎng)關(guān)注度的增 加 風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為一種不可忽視的發(fā)電方式 風(fēng)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(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 風(fēng)力發(fā)電的蘊(yùn)藏量巨大 全球風(fēng)能資源總量約為2 7 4 1 0 9 m w 其中可利用的風(fēng) 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(fēng)電發(fā)展的三大主要市場(chǎng) 三大區(qū)域新增裝機(jī)分別是 8 8 7 7 8 8 8 1 和8 5 8 9 萬千瓦 占世界風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘?的9 0 以上 從國別來看 美國超過德國 躍居全球風(fēng)電裝機(jī)容量首位 同時(shí)也成 為第二個(gè)風(fēng)電裝機(jī)容量超過2 0 0 0 萬千瓦的風(fēng)電大國 除了傳統(tǒng)的風(fēng)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(fēng) 電 2 0 0 8 年 風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)超過3 0 0 萬千瓦的國家已經(jīng)達(dá)n 8 個(gè) 2 0 0 0 年還只有5 個(gè) 超過1 0 0 萬千瓦的已經(jīng)有1 3 個(gè) 風(fēng)電已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)普遍接受的替代能源技 術(shù) 中國風(fēng)能儲(chǔ)量很大 分布面廣 僅陸地上的風(fēng)能儲(chǔ)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到迅速發(fā)展 2 0 0 6 年 中國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)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(fēng)力發(fā)電的主要市場(chǎng)之一 2 0 0 7 年以來 中國風(fēng)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(xué)碩士學(xué)位論文 勢(shì) 2 0 0 8 年中國新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)至u 7 1 9 0 2 萬千瓦 新增裝機(jī)容量增長率達(dá)到 1 0 8 4 累計(jì)裝機(jī)容量躍過1 3 0 0 萬千瓦大關(guān) 達(dá)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(fēng)電大國 同時(shí)躋身世界風(fēng)電裝機(jī)容量超千萬千瓦的風(fēng) 電大國行列 預(yù)計(jì)2 0 1 0 年全國累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量有望突破2 0 0 0 萬千瓦 提f j 實(shí)現(xiàn) 2 0 2 0 年的規(guī)劃目標(biāo) 3 1 1 1 2 風(fēng)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以按照氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力分類 4 早期的垂直軸風(fēng)輪利用的 是阻力原理 但是阻力設(shè)備的功率效率很低 最高約為o 1 6 現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)主要基 于氣動(dòng)升力原理 利用氣動(dòng)升力的風(fēng)力機(jī)可以根據(jù)轉(zhuǎn)軸位置細(xì)分為水平軸風(fēng)力機(jī) 和垂直軸風(fēng)力機(jī) 水平軸或稱旋槳式風(fēng)力機(jī)是目前風(fēng)力機(jī)應(yīng)用的主流 水平軸風(fēng) 力機(jī)由塔架和安裝在塔頂?shù)陌l(fā)電機(jī)艙構(gòu)成 發(fā)電機(jī)艙包括發(fā)電機(jī) 齒輪箱和風(fēng)輪 在小型風(fēng)力機(jī)中 風(fēng)輪和機(jī)艙通過尾翼定向迎風(fēng) 在大型風(fēng)力機(jī)中 風(fēng)輪和機(jī)艙 根據(jù)j x l 向標(biāo)信號(hào) 用電氣控制偏航使其迎風(fēng)或背風(fēng) 水平軸風(fēng)力機(jī)的槳葉數(shù)量取決于風(fēng)力機(jī)的用途 通常兩葉或三葉風(fēng)力機(jī)用于 發(fā)電 目前 三槳葉風(fēng)力機(jī)統(tǒng)治者并網(wǎng)水平軸風(fēng)力機(jī)市場(chǎng) 三槳葉風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 是風(fēng)輪慣性力矩更易于理解 因此通常比兩槳葉風(fēng)力機(jī)的慣性力矩更容易控制 而且 三槳葉風(fēng)力機(jī)比兩槳葉風(fēng)力機(jī)更美觀 噪音更低 這兩點(diǎn)對(duì)于在人口稠密 地區(qū)使用風(fēng)力機(jī)是重要的考慮因素 兩槳葉風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是塔架頂部重量較輕 因而整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)可以建造得較輕 相應(yīng)的成本就有可能更低 視覺效果和噪音 水平對(duì)近海風(fēng)電場(chǎng)并不重要 低成本可能更有吸引力 從而使兩槳葉風(fēng)力機(jī)在近 海風(fēng)力機(jī)市場(chǎng)中得到發(fā)展 風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部件 除了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能 通過控 制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速還能調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)發(fā)電效率 近年來國內(nèi)外科研人員對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)展 開了廣泛的研究工作 5 7 風(fēng)力發(fā)電機(jī)分恒速風(fēng)力機(jī)和變速風(fēng)力機(jī) a 恒速風(fēng)力機(jī) 上世紀(jì)9 0 年代 風(fēng)力機(jī)一般采用籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī) 電機(jī)以恒速的方式運(yùn)行 這意味著無論風(fēng)速大小 風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速總是固定的 并且由電網(wǎng)頻率 齒輪 變速比和發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)決定風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率 恒速風(fēng)力機(jī)裝有直接并網(wǎng)的感應(yīng)發(fā) 電機(jī) 鼠籠型或繞線轉(zhuǎn)子型 軟啟動(dòng)器和減少無功功率補(bǔ)償?shù)碾娙萜鹘M 在特定 風(fēng)速時(shí)能達(dá)到最大效率 恒速風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單 堅(jiān)固耐用 可靠 成熟 且 電氣部分成本低 缺點(diǎn)是有不可控的無功消耗 機(jī)械應(yīng)力和有限的電能質(zhì)量控制 恒速風(fēng)力機(jī)組的拓?fù)鋱D1 1 下所示 2 引言 圖1 1 恒速風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu) 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(fēng)力機(jī) 在近年來 變速風(fēng)力機(jī)已經(jīng)成為主流 變速風(fēng)力機(jī)在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)都能 達(dá)到最大氣動(dòng)效率 變速運(yùn)行使它可以連續(xù)地調(diào)節(jié) 加速或減速 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速緲以 適應(yīng)風(fēng)速v 的變化 這種方式下 葉尖速比a 在對(duì)應(yīng)最大功率系數(shù)的設(shè)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(jī)轉(zhuǎn)矩相當(dāng)恒定 風(fēng)速變化被發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)速的變化所吸收 目前 主流的變速風(fēng)力機(jī)有雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) 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(jī) 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(fēng)機(jī)采用部分功率變流器 因此變流器容量可按機(jī)組容 量的1 3 左右選取 但雙饋型風(fēng)機(jī)由于存在齒輪箱 噪音大并且后期維護(hù)量大 直 驅(qū)型永磁同步電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是省去了齒輪箱 缺點(diǎn)是永磁同步電機(jī)體積大 造價(jià)高 全功率變流器成本也較高 a 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī) b 直驅(qū)犁永磁同步風(fēng)機(jī) 圖1 2 變速風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu) 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(fēng)力發(fā)電機(jī)組除了由風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī) 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(fēng)機(jī)主控系統(tǒng) 變槳裝置調(diào)節(jié)槳葉槳 矩角達(dá)到風(fēng)能利用效率的改變 偏航裝置用于使風(fēng)機(jī)始終跟蹤風(fēng)向 而主控系統(tǒng) 則負(fù)責(zé)整套風(fēng)機(jī)的控制及監(jiān)測(cè) 隨著空氣動(dòng)力學(xué) 材料 發(fā)電機(jī)技術(shù) 變流技術(shù) 3 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)的發(fā)展 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展極為迅速 單機(jī)容量不斷增大 從最 初的數(shù)十瓦級(jí)發(fā)展到兆瓦級(jí)機(jī)組 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性 發(fā)電質(zhì) 量以及風(fēng)能利用效率等提出了更高的要求 相應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)也不斷提出 更高的要求 主控技術(shù)的優(yōu)劣直接對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行等各方面有著至關(guān)重要的影響 1 1 3 風(fēng)力發(fā)電仿真研究技術(shù)現(xiàn)狀 隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)的飛速發(fā)展 為降低風(fēng)力發(fā)電成本 提高風(fēng)能利 用效率 風(fēng)電機(jī)組的容量越來越大 這對(duì)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以 及風(fēng)電相關(guān)設(shè)備提出了更高的要求 相關(guān)課題的研究也不斷增多 在研發(fā)過程中 傳統(tǒng)的實(shí)物測(cè)試調(diào)試盡管是很必要 然而 在風(fēng)電機(jī)組相關(guān) 技術(shù)的開發(fā)過程尤其是大型風(fēng)電機(jī)組 風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試收到了極大的限制 風(fēng)電 場(chǎng)氣象條件的不定性 高昂的風(fēng)電場(chǎng)測(cè)試費(fèi)用 大量的人力資源耗費(fèi)以及調(diào)試的 極不方便都極大的制約了風(fēng)電技術(shù)的開發(fā)調(diào)試 正因?yàn)轱L(fēng)電設(shè)備研發(fā)過程中上風(fēng) 電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試的困難 因此在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行仿真研究成為研 究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重要手段 目前 仿真手段有2 種 離線式仿真與半實(shí)物實(shí)時(shí)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(tái)主流微型計(jì)算 機(jī)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(xué)模型建立與求解的方法來研究 理論技術(shù)的開發(fā) 算法方案設(shè)計(jì) 以及調(diào)試都極為方便 正因?yàn)轱L(fēng)電設(shè)備研發(fā)過程中上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究和測(cè)試領(lǐng)域得到 了越來越廣泛的應(yīng)用 0 1 然而 離線式軟件仿真對(duì)于設(shè)備技術(shù)的研發(fā)也存在致命的弱點(diǎn) 離線不實(shí)時(shí) 性 時(shí)間上無法同步 不考慮真實(shí)的設(shè)備 因此無法得到真實(shí)的反饋數(shù)據(jù)以及一 些由于實(shí)物 環(huán)境等造成的誤差影響 一些由于實(shí)物和環(huán)境造成的影響因素 如 設(shè)備通信速率 環(huán)境溫度等在離線式仿真中也難以實(shí)現(xiàn) 缺乏真實(shí)性 因此在計(jì) 算機(jī)上仿真得出來的一些設(shè)計(jì)方案和控制算法由于忽略真實(shí)實(shí)物環(huán)境因素的影響 而缺乏說服力 研究效果和結(jié)論難以令人信服 半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真能在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下解決離線式仿真無法克服的缺點(diǎn) 1 實(shí)時(shí)性 實(shí)時(shí)仿真具有離線式仿真無法實(shí)現(xiàn)的時(shí)效性 能真正反映設(shè)備和控制算 法的實(shí)際時(shí)序性的效果 2 實(shí)物反饋信號(hào) 半實(shí)物仿真平臺(tái)具有真實(shí)的反饋信 號(hào) 一些在離線式仿真無法或很難考慮的參數(shù)和信號(hào) 如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 摩擦力 環(huán) 境對(duì)設(shè)備和控制的影響 控制信號(hào)的傳輸速率對(duì)仿真的影響等等 在半實(shí)物實(shí)時(shí) 4 引言 仿真平臺(tái)都能體現(xiàn)出來 3 在線調(diào)試的方面性 半實(shí)物仿真器對(duì)控制算法的在 線調(diào)試相當(dāng)很方便 而且基于實(shí)物模型 使得研究的算法的可信程度加大 國內(nèi)外對(duì)風(fēng)力發(fā)電半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真研究的關(guān)注度越來越大 文獻(xiàn) 1 1 用直流 電機(jī)加飛輪來模擬風(fēng)力機(jī)特性 用2 0 k w 的永磁同步電機(jī)模擬2 m w 永磁同步電機(jī) 文 獻(xiàn) 1 2 1 3 3 的仿真平臺(tái)都同樣采用直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性 通過工控機(jī)上位 模擬風(fēng)輪程序給出控制信號(hào)控制晶閘管調(diào)速器調(diào)節(jié)直流電機(jī) 文獻(xiàn) 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(jī) 另一套作控制器 實(shí)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(duì)風(fēng)力發(fā)電的關(guān)注度越來越大 國內(nèi)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃 迅速發(fā)展 各方面的技術(shù)水平與經(jīng)驗(yàn)也顯著增強(qiáng) 然而 不可否認(rèn) 我國的風(fēng)力 發(fā)電技術(shù)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(jìn)口 掌握風(fēng)電相關(guān)技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)已成為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵 問題 而隨著風(fēng)電相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā) 由于風(fēng)電設(shè)備上風(fēng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試的困難不 便 離線式仿真也不足以應(yīng)對(duì)風(fēng)電技術(shù)的研發(fā)要求 因此在實(shí)驗(yàn)室條件下研究搭 建一套完善大型風(fēng)電機(jī)組半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真開發(fā)平臺(tái)是十分有必要的 本文的工作 就是圍繞風(fēng)力發(fā)電半實(shí)物仿真在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建一個(gè)具有真實(shí)風(fēng)機(jī)特性 良好 的外界接口 從風(fēng)到電網(wǎng)的一整套風(fēng)電平臺(tái) 并在此平臺(tái)的基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)機(jī)主控原 理和算法進(jìn)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的大型風(fēng)電機(jī)組半實(shí)物 實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 并在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上研究了大型風(fēng)機(jī)的主控系統(tǒng)并對(duì)大型風(fēng)機(jī) 的控制算法進(jìn)行了探討 本文的主要工作如下 1 圍繞風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)原理和風(fēng)力機(jī)的功率控制策略進(jìn)行理論研究 重點(diǎn)闡述了目前在額定風(fēng)速以下幾種風(fēng)機(jī)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(hào)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(fēng)速以上變槳型風(fēng)機(jī)的恒功率輸出控制 針對(duì)該階段下風(fēng)機(jī) 的變槳控制原理進(jìn)行描述 分析并比較了風(fēng)機(jī)這些控制算法的特點(diǎn)以及各自的優(yōu) 缺點(diǎn) 2 圍繞風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)原理展開研究 風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)分三級(jí) 5 北京交通人學(xué)碩士學(xué)位論文 風(fēng)電場(chǎng)級(jí)控制 機(jī)組級(jí)控制 回路級(jí)控制 本文就這三個(gè)級(jí)別的控制原理分別進(jìn) 行闡述 風(fēng)電場(chǎng)級(jí)控制為風(fēng)電場(chǎng)的整體調(diào)度控制 機(jī)組級(jí)控制接受風(fēng)電場(chǎng)給出的 控制參考值給出風(fēng)機(jī)各個(gè)設(shè)備的控制命令 回路級(jí)控制為變流 偏航 變槳等設(shè) 備的控制算法 3 為了能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)技術(shù)進(jìn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真測(cè)試平臺(tái) 平臺(tái)以半 實(shí)物仿真的方式搭建 利用d s p a c e 系統(tǒng)在線計(jì)算風(fēng)速模擬風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性 給變頻器轉(zhuǎn)矩信號(hào)以控制異步電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出特性 以p w m 整流器加 異步電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī) 兩電機(jī)同軸對(duì)拖 在兩機(jī)之間的軸上裝配飛輪模擬真 實(shí)風(fēng)力機(jī)的槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以模擬真實(shí)風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性 平臺(tái)還采用真實(shí)變槳裝置 通過p l c 與仿真平臺(tái)相連 與d s p a c e 之間實(shí)現(xiàn)槳矩控制信號(hào)與槳矩角角度值的 相互傳輸 d s p a c e 系統(tǒng)作為風(fēng)電仿真平臺(tái)的主控制器和部分虛擬模型在回路仿真 的功能實(shí)現(xiàn) 并且與工控機(jī)之間通過總線相連 與工控機(jī)配合實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)仿真平臺(tái) 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(shè)計(jì)了風(fēng) 機(jī)主控程序算法以及部分虛擬數(shù)學(xué)模型 如風(fēng)速模型 風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩特性模擬 偏航 系統(tǒng)模擬等 并通過風(fēng)力發(fā)電半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行整體的連調(diào)與測(cè)試 在基于風(fēng) 機(jī)的特性原理以及風(fēng)機(jī)控制策略的分析 并通過大量實(shí)驗(yàn)波形 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析總結(jié) 驗(yàn)證了風(fēng)力發(fā)電仿真平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)效果以及風(fēng)機(jī)控制策略技術(shù)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(tái)介紹 2d s p a c e 仿真開發(fā)平臺(tái)介紹 2 1d s p a c e 介紹 在控制算法研究時(shí) 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(duì)控制算法效 果實(shí)現(xiàn)反復(fù)的調(diào)試實(shí)驗(yàn)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(fèi)大量的時(shí)間和人力 對(duì)一些大型的科研應(yīng)用項(xiàng)目 如果完全遵 循過去的開發(fā)過程 由于開發(fā)過程中會(huì)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(xiàng)目周期長 費(fèi)用高 甚至還可能導(dǎo)致項(xiàng)目的 失敗 因此 在開發(fā)的初期階段就引入各種試驗(yàn)手段 并有可靠性高的實(shí)時(shí)軟 硬 件環(huán)境做支持 有助于科研的研究 達(dá)到事半功倍的效果 另外 當(dāng)產(chǎn)品型控制器生產(chǎn)出來后 由于控制對(duì)象可能還處于研制階段 或 者控制對(duì)象很難得到 這就需要找到合適的方法能在早期對(duì)立地完成對(duì)控制器進(jìn) 行測(cè)試 d s p a c e 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)可以很好的解決上面的問題 d s p a c e 實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)半實(shí)物仿真技術(shù)的控制系統(tǒng)開發(fā)及測(cè)試的工 作平臺(tái) 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(dòng)化的代碼生成 下載和友好的試驗(yàn) 調(diào)試軟件環(huán)境使得應(yīng)用 開發(fā)過程快速易行 其專用硬件性能強(qiáng)勁 具有高速計(jì)算和信號(hào)i 0 能力 能夠 應(yīng)對(duì)各種控制工程和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)和測(cè)試需求 半實(shí)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(yīng)用的統(tǒng)一平臺(tái) 這兩方面應(yīng)用的區(qū)別僅僅是 在r c p 中 d s p a c e 的仿真對(duì)象是控制器 實(shí)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(duì)象是設(shè)備或環(huán)境 實(shí)現(xiàn)了某一設(shè)備或外環(huán)境的功能 d s p a c e 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)具有很多其他系統(tǒng)所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)1 1 5 1 仿真實(shí)時(shí)性 仿真代碼下載到硬件上 實(shí)時(shí)運(yùn)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(duì)原型的反 復(fù)更改和試驗(yàn) 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(shí)現(xiàn)仿真參數(shù)的實(shí)時(shí)修 改 加快調(diào)試過程 4 廣泛適用性 d s p a c e 在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了大多數(shù)用戶的需求 設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn) 組件系統(tǒng) 可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多種組合 對(duì)不同用戶而言 可以在運(yùn)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(jìn)行選擇 最快的處理器浮點(diǎn)運(yùn)算速度高達(dá)1 0 0 0 m f l o p s i o 也具有廣 7 北京交通人學(xué)碩士學(xué)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(yīng)用系統(tǒng) 5 使用靈活 既可以自動(dòng)生成代碼 也可以手工編制代碼 以適應(yīng)用戶各 方面的應(yīng)用需求 而且d s p a c e 是一種實(shí)時(shí)硬件平臺(tái) 用戶用d s p a c e 完成一種產(chǎn) 品的設(shè)計(jì)和測(cè)試后 還可以d s p a c e 開發(fā)其它新品或進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真測(cè)試 2 2d s p a c e 軟件 利用d s p a c e 仿真進(jìn)行開發(fā)需要用到一套其自身提供的計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì)工具組 其開發(fā)過程依次建立模型 離線仿真 設(shè)置實(shí)時(shí)i o 生成代碼 編譯 及下載 試驗(yàn) 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(duì)模型進(jìn)行分析 設(shè)計(jì) 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(jìn)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(gè)重要的補(bǔ)充功能模塊 簡(jiǎn)而言之 它是一個(gè)基于s i m u l i n k 的代碼自動(dòng)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(gè)性化的代碼 并根據(jù)目標(biāo)配置自動(dòng)生成多種環(huán) 境下的程序 在d s p a c e 實(shí)時(shí)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(biāo)系統(tǒng)中運(yùn)行 r t i 是連接d s p a c e 實(shí)時(shí)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(duì) s i m u l i n k 庫進(jìn)行了擴(kuò)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(shè)置 同時(shí)對(duì)r t w 進(jìn)行擴(kuò)展 可實(shí)現(xiàn)從s i m u l i n k 模型到d s p a c e 實(shí)時(shí)硬件代碼的自動(dòng)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(shí)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(yīng)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(duì)它的選定 選定后 只要鼠標(biāo)點(diǎn)一下r t w 對(duì)話框中的 b u il d 命令 r t i 就會(huì)自動(dòng)編譯 下載 并啟動(dòng)實(shí)時(shí)模型 另外 r t i 還根據(jù)信號(hào)和參數(shù)產(chǎn)生一個(gè)變量文件 可以用來進(jìn)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(duì)閉環(huán)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行交互操作 自動(dòng) 手動(dòng) 例如在線調(diào)整參數(shù) 數(shù)據(jù)顯示及記錄等 當(dāng)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(biāo)代碼及系統(tǒng)描 述文件 術(shù) s d f 后 就可以將實(shí)時(shí)代碼的下載 信號(hào)監(jiān)視及參數(shù)調(diào)整任務(wù)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(tái)介紹 對(duì)實(shí)時(shí)硬件的圖形化管理 c o n t r o l d e s k 可以方便對(duì)硬件進(jìn)行注冊(cè)和管理 并 利用w i n d o w s 拖放方式方便的完成目標(biāo)程序的下載 用s t a r t 和s t o p 來控制實(shí)時(shí)程 序的啟動(dòng)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(shí)時(shí)程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換 跟蹤實(shí)時(shí)曲線 完成在 線修改參數(shù) 并能記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)間 中斷優(yōu)先級(jí) 程序執(zhí)行時(shí)間的等其他與實(shí)時(shí)操作相關(guān) 的變量 2 3d s p a c e 開發(fā)步驟 d s p a c e 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)功能強(qiáng)大 它既可以和實(shí)際控制對(duì)象相連 稱為快速控制 原型 這時(shí)它起控制器的作用 也可以和實(shí)際控制器相連 稱為硬件在回路仿真 這時(shí)它起被控對(duì)象的作用 對(duì)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(diǎn) 1 m a t l a b s i m u l i n k 建立模型 設(shè)計(jì)控制方案并進(jìn)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(guān)系 并對(duì)i o 參數(shù)進(jìn)行配置 3 通過r t wb u il d 命令完成目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(xué)碩十學(xué)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(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng) l 引 單板系統(tǒng)是將負(fù)責(zé)程序算法運(yùn)行的c p u 系統(tǒng)和負(fù)責(zé)電氣信號(hào)輸入輸出的i o 系統(tǒng)部分集成在一個(gè)版卡上 結(jié)構(gòu)緊湊 使用設(shè)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(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是將實(shí)時(shí)運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)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(jī)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(fēng) 1 0 d s p a c e 仿真開發(fā)平臺(tái)介紹 電半實(shí)物仿真平臺(tái)的控制器 下面對(duì)d 1 0 0 5 進(jìn)行簡(jiǎn)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(yùn)算能力都非常強(qiáng) 運(yùn)算能力可 達(dá)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(shí)時(shí)接口庫 r t i 1 0 0 5 m p 可輕松完成對(duì) 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(shè)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(jiǎn)化為鼠標(biāo)的輕輕 一點(diǎn) 對(duì)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(jìn)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(shù)特點(diǎn)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(chǔ)器 l 船y t e 級(jí)緩存 1 6 p 4 b y t e 可存 1 2 刪s r 枷主存儲(chǔ)器 p h s 3 2 位同步i o 總線 北京交通人學(xué)預(yù)i 學(xué)化論文 總線接口2 0 m b s 傳輸述辜 對(duì)新的i o 接口板挺供2 0 脅 s 傳輸畦覃 多至6 4 個(gè)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(gè)處理器扳 光纜k 度最大能達(dá)i o o m 4 條般向連接通道 實(shí)時(shí)中斷處理 計(jì)時(shí)器兩個(gè)通h j 定時(shí)器 及中斷 多處理器系統(tǒng) 時(shí)間同步單元 中斷控制器 出口 標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)如下 表21d s l 0 0 5 技術(shù)特點(diǎn) 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(jié)構(gòu) 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(shè)置a d d a 頻率測(cè)量 方波信號(hào)產(chǎn)生 數(shù)字i o 和p 州 信號(hào)產(chǎn)生 d s p a c e 仿真開發(fā)平臺(tái)介紹 2 5d s p a c e 應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電仿真研究 傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的控制器是專業(yè)p l c 它們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行整機(jī)控 制 但是在這樣的p l c 平臺(tái)上 研發(fā)人員需要花費(fèi)很大的精力在p l c 編程語言的 學(xué)習(xí)與調(diào)試上 為此 課題組選擇d s p a c e 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)作為風(fēng)機(jī)控制算法的試驗(yàn) 平臺(tái) 并且 d s p a c e 還可以作為一個(gè)仿真平臺(tái)使風(fēng)機(jī)的某些設(shè)備模型可以虛擬實(shí) 現(xiàn) 實(shí)現(xiàn)硬件在回路仿真 h i l s 以d s p a c e 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的控制板為核心 再 加上以異步電機(jī)模擬的風(fēng)力機(jī)對(duì)拖發(fā)電機(jī)的平臺(tái) 變槳電機(jī)裝置平臺(tái) 工控機(jī)檢 測(cè)系統(tǒng) 就能快速構(gòu)建一個(gè)通用風(fēng)機(jī)測(cè)試平臺(tái) 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(shì) 快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)主控不同功能的現(xiàn)實(shí)以及算法的驗(yàn)證 同時(shí) 也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)各部分設(shè)備以及整體性能的測(cè)試 1 3 北京交通人學(xué)碩十學(xué)位論文 3 風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)及功率控制原理 在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究和丌發(fā)過程中 利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué) 模型并進(jìn)行仿真 是研究風(fēng)力發(fā)電原理和技術(shù)的有效手段 一般來說 建立復(fù)雜 程度合適的風(fēng)機(jī)模型能有助于控制策略的研究 本章為說明風(fēng)機(jī)各部分以及控制 的基本原理 參考空氣動(dòng)力學(xué) 對(duì)風(fēng)力機(jī)各部分建立數(shù)學(xué)模型并針對(duì)j x l 機(jī)在額定 風(fēng)速以下的最大功率追蹤控制 m p p t 原理以及額定風(fēng)速以上的恒功率輸出控制 原理分別說明 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各部件組成以及控制結(jié)構(gòu)如下圖所示t 3 1 風(fēng)速模型 圖3 1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的組成及控制結(jié)構(gòu) 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(fēng)是自然界的產(chǎn)物 風(fēng)速帶有隨機(jī)性和不可控性 然而從長期統(tǒng)計(jì)的角度上 風(fēng)速的變化和分布又是帶有一定的規(guī)律性 關(guān)于風(fēng)速的分布規(guī)律 國內(nèi)外有不少 的研究 風(fēng)速分布一般均分j 下偏態(tài)分布 通常用于擬合風(fēng)速分布的線型很多 有 瑞利分布 對(duì)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(rèn)為雙參數(shù)威布爾分布適用于風(fēng)速統(tǒng)計(jì)描述的概率密度函數(shù) 其結(jié)果最接近 風(fēng)速的實(shí)際分布 風(fēng)速y 的韋布爾分布概率密度函數(shù)可表達(dá)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(fēng)速y 有 關(guān) 1 c f 1 3 2 式中 1 1 為完整的伽瑪函數(shù) 與上式等價(jià)的風(fēng)速v 的累積概率分布函數(shù)為 1 4 風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)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(duì)分布曲線形式有很大影響 k 2 在很多情況下是一個(gè)典型 值 表示平均風(fēng)速的變化大 這時(shí)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(zhēng) 礱e x p 卜和2 3 5 本文對(duì)風(fēng)速進(jìn)行建模 一方面要在風(fēng)速的分布規(guī)律上體現(xiàn)風(fēng)速的隨機(jī)性和間 歇性 另一方面又要能反映風(fēng)的幾種基本成分 因此本文對(duì)風(fēng)速建模采用合成風(fēng) 來表示 合成風(fēng)速y 基準(zhǔn)風(fēng)速 抖動(dòng)風(fēng)速 1 基準(zhǔn)風(fēng)速為 穩(wěn)態(tài)風(fēng) 漸變風(fēng) 陣風(fēng) 1 穩(wěn)態(tài)風(fēng) 穩(wěn)態(tài)風(fēng)為平均風(fēng)速 基本反映風(fēng)速的平均值恒定在一個(gè)值上 1 3 6 2 漸變風(fēng) 漸變風(fēng)反映風(fēng)速的漸變特性 卜t f 1 a t u t l t f 2 其中 a 為風(fēng)速上升 下降速率 t t 為風(fēng)速漸變的起始和結(jié)束時(shí)間 m 1 為起 始風(fēng)速和最大風(fēng)速 3 陣風(fēng) 陣風(fēng)反映了風(fēng)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(fēng)速 4 混合風(fēng) 混合風(fēng)為上面3 種風(fēng)速的合成 前三種基準(zhǔn)風(fēng)的示意如下 鼉 瑙 區(qū) 時(shí)間魄 a 漸變風(fēng) 鼉 昌 嘲 區(qū) 1 5 時(shí)間怕 b 穩(wěn)態(tài)風(fēng) j 匕京交通人學(xué)碩士學(xué)位論文 警 嘲 區(qū) 時(shí)剜訛 c 陣風(fēng) 圖3 2 三種基準(zhǔn)風(fēng)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(fēng)速模型除了沿著基準(zhǔn)風(fēng)速變化 還受抖動(dòng)風(fēng)速a v 變化影響 抖動(dòng)風(fēng)速是隨 機(jī)的 但其整體分布按威稚爾概率分布式 3 5 實(shí)現(xiàn) 因此本文對(duì)風(fēng)速的建模的核心是 在一段時(shí)間內(nèi)建立上面4 種風(fēng)速模型為基準(zhǔn) 風(fēng) 并令y 屹 使風(fēng)速沿著基準(zhǔn)風(fēng)屹按威布爾概率分布抖動(dòng) 基于基準(zhǔn)風(fēng)速生成的圪與抖動(dòng)風(fēng)速a v 組合成了瞬時(shí)風(fēng)速模型 然而瞬時(shí)風(fēng)速 模型速度變化過大 不能直接用于風(fēng)機(jī)仿真研究 必須對(duì)瞬時(shí)風(fēng)速模型進(jìn)行濾波 濾波后的風(fēng)速即為有效風(fēng)速模型 這個(gè)有效風(fēng)速模型即可以被認(rèn)為是風(fēng)機(jī)j x l 速傳 感器采集測(cè)量所得的風(fēng)速值 一般來說 真實(shí)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)基于這個(gè)測(cè)回來的 風(fēng)速值 有效風(fēng)速模型 的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)濾波 得出平均風(fēng)速 用于風(fēng) 機(jī)的各種控制與監(jiān)控處理參數(shù) 3 2 風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)原理 3 2 1 風(fēng)能計(jì)算 由牛頓運(yùn)動(dòng)力學(xué)可知 氣流的動(dòng)能為 1 8 e 二m 1 2 2 因此 單位時(shí)間流過風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域的能量為 壹 二y 倒y 22 其中 e 為單位時(shí)間流過風(fēng)輪面的氣體動(dòng)能 i l l 為氣體質(zhì)量 風(fēng)輪面的氣體質(zhì)量 p 為氣體密度 a 為風(fēng)輪面積 3 2 2 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型 1 6 3 9 3 1 0 m 單