dSPACE實時仿真系統(tǒng)及其在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用

dSPACE實時仿真系統(tǒng)及其在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用dSPACE實時仿真系統(tǒng)采用dSPACE實時仿真系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)DS1103單板系統(tǒng)簡介dSPACE實時仿真系統(tǒng)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用目錄1

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE實時仿真系統(tǒng)采用dSPACE實時仿真系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)DS1103單板系統(tǒng)簡介dSPACE實時仿真系統(tǒng)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用目錄2

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的開發(fā)設計方法傳統(tǒng)上，進行控制系統(tǒng)設計一般包括系統(tǒng)建模、算法設計、軟硬件的設計以及性能測試等；涉及控制理論、機電技術、軟件開發(fā)、電路設計等多個領域知識。dSPACE實時仿真系統(tǒng)設計人員不僅需要進行軟件編程和查錯，還需進行硬件電路的設計，一方面對科研人員能力要求較高，再者會導致開發(fā)時間過長。對于這種順序的開發(fā)過程，一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，就必須從頭開始重新進行設計，延誤項目進度。3

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB計算機離線仿真技術在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)開發(fā)過程中，對于系統(tǒng)建模和算法設計多采用計算機離線仿真手段，計算機仿真通過數(shù)學模型實現(xiàn)對實際系統(tǒng)的仿真。但這種仿真的真實性很大程度上依賴于模型的精確程度。對于某些復雜的時變多變量系統(tǒng)的數(shù)學模型很難準確的建立，使得計算機仿真的應用受到限制。dSPACE實時仿真系統(tǒng)4

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB實時仿真技術又稱為半實物仿真技術，把計算機仿真的數(shù)學模型直接下載到實時硬件中，并連接真實設備和測試儀器，完成系統(tǒng)的聯(lián)合仿真和實驗。（LabVIEW、dSPACE、RT-LAB、RTX等）dSPACE實時仿真系統(tǒng)能夠對控制算法或系統(tǒng)模型在運行過程中的具體狀態(tài)進行準確描述，直觀地驗證仿真結果。提高了仿真結果的置信度。提高設計和開發(fā)效率，降低開發(fā)費用。5

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE實時仿真系統(tǒng)dSPACE(digitalSignalProcessingAndControlEngineering)實時仿真系統(tǒng)是德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)在實時環(huán)境下的開發(fā)及測試工作平臺，實現(xiàn)了和Simulink的無縫連接。dSPACE產(chǎn)品結構

dSPACE軟件RTI（離線工具與實時工具的接口）

ControlDesk（測試和實驗軟件工具）

dSPACE硬件單板系統(tǒng)組件系統(tǒng)dSPACE實時仿真系統(tǒng)6

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE產(chǎn)品應用領域dSPACE實時仿真系統(tǒng)Page

7Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE硬件體系單板系統(tǒng)CPU與外圍I/O集成DS1103及DS1104處理器板組件系統(tǒng)處理器板I/O板多處理器系統(tǒng)其他擴展箱單主機多系統(tǒng)的連接板連接器和LED板dSPACE實時仿真系統(tǒng)8

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE硬件產(chǎn)品——單板系統(tǒng)DS1103通過單一板實施快速控制原型設計填補DS1102和標準組件系統(tǒng)之間的空白支持高性能處理器PowerPCPPC604e內(nèi)置綜合I/O功能

8D/A20A/D32數(shù)字I/ORS232/RS422

三相及單相PWMCAN接口dSPACE實時仿真系統(tǒng)9

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE軟件體系實現(xiàn)軟件算法代碼生成Matlab/Simulink/RTWC語言開發(fā)RTI編譯器實驗軟件ControlDeskMLIB/MTRACECLIB產(chǎn)品代碼生成軟件TargetLinkdSPACE實時仿真系統(tǒng)10

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE軟件體系dSPACE實時仿真系統(tǒng)11

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE軟件產(chǎn)品——實現(xiàn)軟件RTI離線工具與實時工具的接口結合Simulink和

Stateflow框圖模型自動在實時硬件上運行以圖形化方式對所有I/O接口進行設置結合RTW自動代碼生成并下載到實時硬件上支持軟件和硬件中斷等任務模式自動激活編譯器編譯和鏈接模型支持多處理器系統(tǒng)dSPACE實時仿真系統(tǒng)RTWMATLABSimulinkStateflowRT-SoftwareRT-HardwareReal-TimeInterface12

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE軟件產(chǎn)品——實驗軟件ControlDesk將多種功能集成在一個軟件之中dSPACE實時仿真系統(tǒng)13

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE軟件產(chǎn)品——實驗軟件ControlDesk硬件管理虛擬儀表、數(shù)據(jù)采集變量管理參數(shù)管理dSPACE實時仿真系統(tǒng)14

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE實時仿真系統(tǒng)采用dSPACE實時仿真系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)DS1103單板系統(tǒng)簡介dSPACE實時仿真系統(tǒng)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用目錄15

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB當今社會，市場對產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)多樣性、快速性的趨勢，控制器的開發(fā)面臨著多樣性需求和快速開發(fā)之間的矛盾；對控制系統(tǒng)魯棒性和可靠性的要求也日趨增加，并行工程(即：設計、實現(xiàn)、測試和生產(chǎn)準備同時進行)被提上了日程。dSPACE為這些問題的解決創(chuàng)造了一個良好的環(huán)境，在開發(fā)過程中dSPACE為快速控制原型(RCP)和硬件在回路仿真(HILS)提供了統(tǒng)一的應用平臺。在快速控制原型中dSPACE作為控制器與實驗對象相連，通過Controldesk觀察控制算法的性能，如果控制算法不理想，可以很快地進行反復修改設計，反復實驗直到找到理想的控制方案。在硬件在回路仿真中dSPACE充當控制對象，模擬控制對象產(chǎn)生的信號，用來檢驗開發(fā)的控制算法正確性和可靠性。采用dSPACE進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)16

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABRCP與HIL采用dSPACE進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)與控制對象實物連接快速控制原型Real-TimeWorkshopCodePlantModelControllerModel模型控制對象模型控制器

模型與控制器實物連接硬件在回路仿真Real-TimeWorkshopCode快速控制原型(RCP)硬件在回路仿真(HIL)17

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB快速控制原型(RCP：RapidControlPrototyping)技術快速控制原型，是在集成了良好的便于使用的建模、設計、離線仿真、實時開發(fā)及測試工具的基礎上，進行控制系統(tǒng)的反復修改設計及離線仿真、實時仿真，從而將錯誤及不當之處消除于設計初期，使設計修改費用減至最小。通過將快速原型硬件系統(tǒng)與所要控制的實際設備相連，可以反復研究使用不同傳感器及驅動機構時系統(tǒng)的性能特征。還可以利用旁路（BYPASS）技術將原型電控單元（ECU：ElectronicControlUnit）或控制器集成于開發(fā)過程中，從而逐步完成從原型控制器到產(chǎn)品型控制器的順利轉換。采用dSPACE進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)18

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB采用dSPACE進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)19

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB硬件在環(huán)仿真

(HIL：HardwareintheLoop)技術硬件在環(huán)仿真，是在新的控制系統(tǒng)設計結束、已開發(fā)出ECU并制成產(chǎn)品型控制器后，將產(chǎn)品型控制器與控制對象的仿真模型連接起來進行仿真，從而測試產(chǎn)品型控制器的性能。產(chǎn)品型控制器開發(fā)完成后需要在閉環(huán)下對其進行詳細測試，但由于種種原因如：極限測試、失效測試，或在真實環(huán)境中測試費用較昂貴等，使測試難以進行；或為了縮短開發(fā)周期，希望在控制器運行環(huán)境不存在的情況下（如：控制對象與控制器并行開發(fā)），對其進行測試。因此，需要進行半實物仿真(HIL)，以在開發(fā)階段的早期及時掌握更多信息，從而降低設計風險。采用dSPACE進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)20

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB采用dSPACE進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)21

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB采用dSPACE進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)dSPACEV-Cycle產(chǎn)品開發(fā)流程22

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACEV-Cycle產(chǎn)品開發(fā)流程1采用dSPACE進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)功能設計及離線仿真MATLAB/Simulink建立對象數(shù)學模型設計控制方案進行離線仿真23

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACEV-Cycle產(chǎn)品開發(fā)流程2采用dSPACE進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)快速控制原型dSPACE原型實驗室進行控制器測試的可靠方案通過自動代碼生成工具可以在幾分鐘內(nèi)把框圖變成實時的實驗多種規(guī)格的硬件適用于不同的計算能力與I/O要求24

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACEV-Cycle產(chǎn)品開發(fā)流程采用dSPACE進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)目標代碼生成TargetLink從MATLAB/Simulink生成定點代碼可靠性、效率、可讀性能與手工代碼媲美對于不同的控制器與編譯器可選擇不同的優(yōu)化方法自動定標（scaling）25

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACEV-Cycle產(chǎn)品開發(fā)流程4采用dSPACE進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)目標代碼生成硬件在環(huán)仿真快速控制原型對模型進行標定校正功能設計及離線仿真硬件在環(huán)仿真模擬被控對象的各種工況在線實時監(jiān)控和標定各種仿真參數(shù)實現(xiàn)測試自動化，且測試過程可復現(xiàn)實現(xiàn)高速運算，滿足電控單元測試的實時性要求；易于維護和擴展測試能力。26

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABMatlab/dSPACE集成開發(fā)環(huán)境采用dSPACE進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)控制對象理論模型的建立初步控制系統(tǒng)設計通過離線仿真對控制系統(tǒng)測試生成模型實時代碼通過ControlDesk采集數(shù)據(jù)及觀測、修改變量定義模型I/O27

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE實時仿真系統(tǒng)采用dSPACE實時仿真系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)DS1103單板系統(tǒng)簡介dSPACE實時仿真系統(tǒng)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用目錄28

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABDS1103簡介dSPACE推出的DS1103PPC控制器板是迄今為止所有單板系統(tǒng)中功能最強大、I/O最豐富的開發(fā)系統(tǒng)。為了不給開發(fā)帶來任何限制，DS1103采用了PowerPC處理器來進行浮點運算。DS1103擁有大量I/O接口，使其可以滿足各種RCP應用要求。DS1103集成有ADC、DAC，還配有數(shù)字I/O。DS1103還配備一個以TI公司的TMS320F240DSP為核心的I/O從處理器子系統(tǒng)，可用來滿足特殊的I/O要求。這種DSP可提供三相PWM信號發(fā)生器，尤其適于電氣驅動方面的應用。DS1103擁有多路數(shù)字/模擬增量編碼器接口，板載測速控制器，可對數(shù)字或模擬增量編碼器位置信號進行解析，非常便于應用到電氣驅動控制和機器人設計中。單板系統(tǒng)DS110329

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABDS1103集成有Infineon的CAN控制器，可以適應汽車及自動化方面的應用。DS1103可以插入dSPACE擴展箱或PC機中使用。由PC機負責提供電源，完成程序下載。所有的實時計算都是由PPC控制器板獨立執(zhí)行，只有dSPACE的試驗工具軟件并行運行于PC主機上。單板系統(tǒng)DS110330

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB單板系統(tǒng)DS1103DS1103架構圖31

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABMatlab/Simulink中RTI1103的函數(shù)庫RTI1103的Simulink主視窗單板系統(tǒng)DS110332

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABMatlab/Simulink中RTI1103的函數(shù)庫RTI1103的MasterPowerPC函數(shù)庫單板系統(tǒng)DS110333

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABMatlab/Simulink中RTI1103的函數(shù)庫RTI1103的DSP從處理器函數(shù)庫單板系統(tǒng)DS110334

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE實時仿真系統(tǒng)采用dSPACE實時仿真系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)設計開發(fā)DS1103單板系統(tǒng)簡介dSPACE實時仿真系統(tǒng)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用目錄35

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB隨著風電技術發(fā)展，風電設備在風場調(diào)試存在諸多困難。采用傳統(tǒng)的計算機離線仿真技術，對于風電機組這樣復雜的系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學模型，所得到的控制策略因忽略了真實實物環(huán)境因素的影響難以令人信服。dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用36

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB基于dSPACE實時仿真系統(tǒng)，利用其與仿真軟件MATLAB/Simulink無縫連接的優(yōu)勢，采用硬件在環(huán)仿真技術，通過實時硬件與dSPACE控制器相連，構造基于dSPACE硬件在環(huán)的風電系統(tǒng)控制與測試系統(tǒng)。dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用利用此系統(tǒng)不但可加快風電機組主控制器的開發(fā)周期，而且降低了控制器在真實風電機組上進行測試的風險，增加了測試的安全性及可靠性。37

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用38

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE在雙饋風電系統(tǒng)中的應用雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)因其變流器容量小、成本低、技術成熟等優(yōu)點，在許多場合，尤其是大功率領域得到廣泛應用。雙饋式風電系統(tǒng)的變流器常采用兩個三相兩電平電壓型PWM變換器以背靠背（Back-to-Back）的形式連接。dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用39

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE在雙饋風電系統(tǒng)中的應用實驗室條件下，基于dSPACE的雙饋風電系統(tǒng)主要由原動機、發(fā)電機及背靠背式并網(wǎng)變流器三部分組成。dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用通過轉接電路板與dSPACE實時仿真系統(tǒng)相連，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制及實時狀態(tài)采集，進行風電系統(tǒng)控制策略的實驗與測試工作。40

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABDS1103單板系統(tǒng)及上位機dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用41

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABdSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)模擬實驗平臺42

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LABControlDesk控制界面dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用虛擬儀器可視化的測量變量可視化的模型參數(shù)在線調(diào)參數(shù)據(jù)獲取

實驗控制開始,停止,...參數(shù)編輯43

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB應用實例：基于滑模變結構控制的雙饋風電系統(tǒng)網(wǎng)側變流器控制策略在兩相靜止坐標系下，提出了一種基于滑模變結構的雙環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)將直接功率控制與滑模變結構控制相結合，既吸收了直接功率控制的快速性，也保持了滑模變結構控制的魯棒性；外環(huán)將滑模變結構理論引入到直流母線電壓的控制中，在提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，兼顧了系統(tǒng)的動態(tài)性能指標。dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用44

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB網(wǎng)側變流器維持直流母線電壓的穩(wěn)定。電壓外環(huán)實現(xiàn)對輸入電流波形和功率因數(shù)的控制。電流/功率內(nèi)環(huán)dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用Electr.Eng.&PowerConvers.LAB45

/58三相靜止坐標系下的數(shù)學模型dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用46

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB兩相靜止（α-β）坐標系下的數(shù)學模型瞬時功率Pg、Qg以及變換器輸出到直流側的功率PdcdSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用47

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB網(wǎng)側變換器的瞬時有功功率、無功功率的變化率及直流母線電壓的表達式dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用48

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB基于SMC-DPC的系統(tǒng)功率內(nèi)環(huán)設計控制方案設計的主要目的是得到一個輸出電壓控制量，使其成為變流器交流側電壓調(diào)制波，驅動開關管。dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用49

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB基于SMC-DPC的系統(tǒng)功率內(nèi)環(huán)設計將上述兩式結合寫成狀態(tài)方程形式將上式進行變換上式為功率環(huán)使用滑?？刂茣r的解耦關系式，采用上式結合滑模控制器可直接得到輸出電壓控制量，實現(xiàn)內(nèi)環(huán)控制。dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用Electr.Eng.&PowerConvers.LAB50

/58基于SMC的直流電壓外環(huán)控制器的設計網(wǎng)側變流器的直流母線電壓只與有功功率有關，與無功功率無關。因此可采用外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為功率環(huán)的方式對網(wǎng)側變流器進行控制。定義外環(huán)滑模面函數(shù)為：當系統(tǒng)運行到滑模面時，外環(huán)采用指數(shù)趨近律設計滑?？刂破?，并同樣采用飽和函數(shù)代替滑?？刂破髦械姆柡瘮?shù)，可得：dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用51

/58Electr.Eng.&PowerConvers.LAB基于SMC的直流電壓外環(huán)控制器的設計根據(jù)直流母線電容節(jié)點的電流關系通過上式將內(nèi)外環(huán)聯(lián)系在一起，系統(tǒng)電壓外環(huán)的輸出為有功功率給定值。dSPACE在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用52

/58Electr.Eng.&PowerConvers.L