CN110083935B - 双馈风机控制器辅助设计方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双馈风机控制器辅助设计方法及设备。本发明通过快速便捷的搭建图形化控制模型，并将控制模型优化处理后转化为控制代码，再联合实物模型进行实时运行验证，实时调参，有效促进控制器开发效率。本发明通过结合数模与物模，利用计算机仿真技术，设计调试控制器，在线修改模型，调整参数，并实时运行反馈控制效果，具备模型模块化，结构化，调参便捷化，变量可视化等优点。该方法实时运行，真实反映运行状态，调试安全，与常规设计方法相比，缩短研发周期，节约研发费用，防范安全隐患，促进技术转化，统筹兼顾真实，高效，经济，安全，可靠，完整，可信等特点。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，尤其是一种双馈风机控制器辅助设计方法及设备。
背景技术
风电技术运用与工程实践多年，但多地依然弃风严重，究其原因是风机控制技术应用不够成熟，虽然学术界对风电设备双馈风机的控制理论及控制方法研究较多，但纷繁复杂的控制理论和控制算法在应用转化过程中，缺乏低成本、高效率、更安全的辅助设计方法，同时在设计的过程中还缺乏一种便捷、有效的检验标准
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双馈风机控制器辅助设计方法及设备，它能实时运行，能真实反映运行状态，调试安全，可缩短研发周期，节约研发费用，防范安全隐患，促进技术转化，统筹兼顾真实，高效，经济，安全，可靠，完整，可信等特点。
本发明是这样实现的：双馈风机控制器辅助设计方法，包括如下步骤：
1)控制模型建模：基于simulink工具箱建模，并同时运用Labview软件，针对仿真工控机配置的板块编写模块化程序，用于上位机与仿真工控机的通信，提供可视化的运行数据和实时调节参数；
2)离线仿真验证：通过上位机提供离线仿真验证功能，对前期模型进行修改和参数调整；
3)模型预处理：若离线仿真验证通过，就接着对模型进行预处理，预处理：a)添加自定义的通信模块和采集模块，为上位机和数据采集提供标准的接口；b)对模型进行分割和误差补偿，采用电流超前插值预测方法，对电压延时量进行补偿，目的是充分利用工控机多核优势，提高运行模型精度，获得上位机模型；
4)代码生成和下载：上位机模型通过工具箱xpc target工具箱自动生成控制代码，并下载到仿真工控机；
5)监控实时运行过程：对步骤4)中经过预处理的前期模型实时监控运行指标，动态调整运行参数；
6)完成辅助设计：实时调整风力机模拟系统控制直流电机转动，对拖双馈风机，观测运行数据和指标，若达到预期控制效果，即该设计方案能进行下一步产品应用开发；若没有达到预计，则记录并分析观测的数据，对模型进行修改调整。
在步骤3)中进行模型分割时，包括进行主控模块和子控模块的切割，以双馈风机控制器算法作为主控模块，以双馈风机阀控系统作为子控模块，阀控电路基于分割模型的考虑被等效为i个受控电压源，分割后模型解耦，电压等于受控电压源之和，即公式(1)；
根据阀控电流采用插值预测方法对指令电流iz进行推导，获得公式(2)；
iz(n+1)＝3i(n)-3i(n-1)+i(n-2) (2)
在解耦坐标系下，电压表示为，公式(3)；
式(1)、(2)及(3)中各参数表示，uoi为第i个受控电压源，uo为输出电压，iz(n+1)为下一步长阀控电流值，i(n)当前步长阀控电流值，i(n-1)上一步长阀控电流值，i(n-2)向前推两步长阀控电流值，D为补偿系数，其中uia_ref(n+1)为下一周期αβ坐标系下预测值。
将公式(2)代入公式(3)中，即对电压延时量进行补偿。从而解决由于CPU运算延时△t，导致运算采样值为上一时刻数据，采样误差不断累加，进而导致数据失真的问题。
双馈风机控制器辅助设计设备，包括上位机(1)，上位机(1)分别连接仿真工控机(2)及风力模拟系统(3)，仿真工控机(2)连接信号接口电路(4)，信号接口电路(4)连接IGBT驱动电路(5)，IGBT驱动电路(5)连接双馈风机(6)，双馈风机(6)连接直流电机(7)，直流电机(7)连接风力模拟系统(3)；在双馈风机(6)与直流电机(7)的连接轴上设有转速采集装置(8)，转速采集装置(8)与信号接口电路(4)连接。
上位机(1)与仿真工控机(2)的以太网卡连接；仿真工控机(2)的以太网卡与信号接口电路(4)的以太网口连接，仿真工控机(2)的数据采集卡与信号接口电路(4)的外扩I/O口连接；IGBT驱动电路(5)的信号传输接口连接信号接口电路(4)的PWM输出口及外扩I/O口；转速采集装置(8)接入信号接口电路(4)的外扩I/O口。
上位机属于人机交互接口，其上可自由搭建双馈风机控制器模型，并可完成离线模型的仿真验证和控制代码的在线生成，其还具有监控仿真工控机运行过程的功能。
仿真工控机负责双馈风机控制器控制代码的实时运行，并同时接受上位机调节。
接口电路为仿真工控机和IGBT驱动电路、双馈风机物模等提供信息交换通道。
IGBT驱动电路和双馈风机物模为实物模型，为控制器辅助设计提供良好的动态特性和静态特性反映，有效检验控制器设计效果。
仿真工控机配置高速以太网卡(Intel8254网卡)和数据采集卡(NI PCI 6251采集卡)，涉及xpc-target技术并进行了优化，采用模型分割和误差补偿方法对实时仿真进行了加速，高速以太网卡连接上位机和信号接口电路，数据采集卡连接信号接口电路用于采集和模拟仿真过程中数据信号。信号接口电路具有以太网口、PWM输出口和外扩I/O口，该电路采用DSP28335芯片设计并集成TL8019AS以太网控制器，外扩I/O口配备电压电流互感器可采集电压、电流、转速等信息，同时可输出多路模拟、数字信号，该电路接收仿真工控机实时控制数据，并进行脉冲调制处理控制双馈风机物模运行，同时反馈运行状态。IGBT驱动电路搭载智能功率模块(IPM)和电容器组以模拟双馈风机电力电子驱动机构，同时电路具备过流、过压和直通短路保护电路，保护物模不被错误模型损坏。双馈风机物模、风力机模拟系统用于模拟双馈风机各种工况。
由于采用了上述技术方案。本发明通过快速便捷的搭建图形化控制模型，并将控制模型优化处理后转化为控制代码，再联合实物模型进行实时运行验证，实时调参，有效促进控制器开发效率。本发明通过结合数模与物模，利用计算机仿真技术，设计调试控制器，在线修改模型，调整参数，并实时运行反馈控制效果，具备模型模块化，结构化，调参便捷化，变量可视化等优点。该方法实时运行，真实反映运行状态，调试安全，与常规设计方法相比，缩短研发周期，节约研发费用，防范安全隐患，促进技术转化，统筹兼顾真实，高效，经济，安全，可靠，完整，可信等特点。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的案例系统结构框图；
图4为本发明的案例转子侧控制策略；
图5为本发明的案例定子侧控制策略；
图6为本发明的案例离线验证时输出三相电压波形；
图7为本发明的案例实时运行时输出a相电压波形；
具体实施方式
本发明的实施例：双馈风机控制器辅助设计方法，包括如下步骤：
1)控制模型建模：基于simulink工具箱建模，并同时运用组态软件，针对仿真工控机配置的板块编写模块化程序，用于上位机与仿真工控机的通信，提供可视化的运行数据和实时调节参数；
2)离线仿真验证：通过上位机提供离线仿真验证功能，对前期模型进行修改和参数调整；
3)模型预处理：若离线仿真验证通过，就接着对模型进行预处理，预处理：a)添加自定义的通信模块和采集模块，为上位机和数据采集提供标准的接口；b)对模型进行分割和误差补偿，采用电流超前插值预测方法，对电压延时量进行补偿，目的是充分利用工控机多核优势，提高运行模型精度，获得上位机模型；
4)代码生成和下载：上位机模型通过工具箱(这个工具箱指的是什么？)自动生成控制代码，并下载到仿真工控机；
5)监控实时运行过程：对步骤4)中经过预处理的前期模型实时监控运行指标，动态调整运行参数；
6)完成辅助设计：实时调整风力机模拟系统控制直流电机转动，对拖双馈风机，观测运行数据和指标，若达到预期控制效果，即该设计方案能进行下一步产品应用开发；若没有达到预计，则记录并分析观测的数据，对模型进行修改调整。
在步骤2)中进行模型分割时，包括进行主控模块和子控模块的切割，以双馈风机控制器算法作为主控模块，以双馈风机阀控系统作为子控模块，阀控电路基于分割模型的考虑被等效为i个受控电压源，分割后模型解耦，电压等于受控电压源之和，即公式(1)；
根据阀控电流采用插值预测方法对指令电流iz进行推导，获得公式(2)；
iz(n+1)＝3i(n)-3i(n-1)+i(n-2) (2)
在解耦坐标系下，电压表示为，公式(3)；
式(1)、(2)及(3)中各参数表示，uoi为第i个受控电压源，uo为输出电压，iz(n+1)为下一步长阀控电流值，i(n)当前步长阀控电流值，i(n-1)上一步长阀控电流值，i(n-2)向前推两步长阀控电流值，D为补偿系数，其中uia_ref(n+1)为下一周期αβ坐标系下预测值。
将公式(2)代入公式(3)中，即可对电压延时量进行补偿，从而解决由于CPU运算延时△t，导致运算采样值为上一时刻数据，采样误差不断累加，进而导致数据失真的问题。
本发明的实施例采用的双馈风机控制器辅助设计方法及设备，部分模型已经搭建封装，使用时调用即可，例如通信模块、采集模块、Labview界面等。
案例：搭建双馈风机孤岛运行算法模型，案例系统结构框图如图3所示，转子侧控制策略如图4所示，定子侧控制策略如图5所示，离线验证时输出三相电压波形如图6所示，实时运行时输出a相电压波形如图7所示，输出波形满足设计要求。
1)基于simulink工具箱建模，转子侧控制策略如图4所示，定子侧控制策略如图5所示；
2)离线仿真验证：通过上位机提供离线仿真验证功能，对前期模型进行修改和参数调整，离线验证时输出三相电压波形如图6所示；
3)模型预处理：若离线仿真验证通过，就接着对模型进行预处理，预处理：a)添加自定义的通信模块和采集模块，给需要可视化的参量添加封装好的通信模块、给需要外部接口采集的量添加采集模块，为上位机和数据采集提供标准的接口，Labview软件配置一下调用函数，实现可视化调用；b)对模型进行分割和误差补偿，采用电流超前插值预测方法，对电压延时量进行补偿，目的是充分利用工控机多核优势，提高运行模型精度；
4)代码生成和下载：上位机模型通过工具箱xpc target工具箱自动生成控制代码，并下载到仿真工控机；
5)监控实时运行过程：对步骤4)中经过预处理的前期模型实时监控运行指标，动态调整运行参数；
6)完成辅助设计：实时调整风力机模拟系统控制直流电机转动，对拖双馈风机，观测运行数据和指标，如图7所示实时运行时输出a相电压波形。
Claims (4)
1.一种双馈风机控制器辅助设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)控制模型建模：基于simulink工具箱建模，并同时运用labview软件，针对仿真工控机配置的板块编写模块化程序，用于上位机与仿真工控机的通信，提供可视化的运行数据和实时调节参数；
2)离线仿真验证：通过上位机提供离线仿真验证功能，对前期模型进行修改和参数调整；
3)模型预处理：若离线仿真验证通过，就接着对模型进行预处理，预处理：a)添加自定义的通信模块和采集模块，给需要可视化的参量添加封装好的通信模块、给需要外部接口采集的量添加采集模块，为上位机和数据采集提供标准的接口，Labview软件配置一下调用函数，实现可视化调用；b)对模型进行分割和误差补偿，采用电流超前插值预测方法，对电压延时量进行补偿，目的是充分利用工控机多核优势，提高运行模型精度，获得上位机模型；
4)代码生成和下载：上位机模型通过工具箱xpc target工具箱自动生成控制代码，并下载到仿真工控机；
5)监控实时运行过程：对步骤4)中经过预处理的前期模型实时监控运行指标，动态调整运行参数；
6)完成辅助设计：实时调整风力机模拟系统控制直流电机转动，对拖双馈风机，观测运行数据和指标，若达到预期控制效果，即该设计方案能进行下一步产品应用开发；若没有达到预计，则记录并分析观测的数据，对模型进行修改调整。
2.根据权利要求1所述的双馈风机控制器辅助设计方法，其特征在于：在步骤3)中进行模型分割时，包括进行主控模块和子控模块的切割，以双馈风机控制器算法作为主控模块，以双馈风机阀控系统作为子控模块，阀控电路基于分割模型的考虑被等效为i个受控电压源，分割后模型解耦，电压等于受控电压源之和，即公式(1)；
根据阀控电流采用插值预测方法对指令电流iz进行推导，获得公式(2)；
iz(n+1)＝3i(n)-3i(n-1)+i(n-2) (2)
在解耦坐标系下，电压表示为，公式(3)；
式(1)、(2)及(3)中各参数表示，uoi为第i个受控电压源，uo为输出电压，iz(n+1)为下一步长阀控电流值，i(n)当前步长阀控电流值，i(n-1)上一步长阀控电流值，i(n-2)向前推两步长阀控电流值，D为补偿系数，其中uia_ref(n+1)为下一周期αβ坐标系下预测值，将公式(2)代入公式(3)中，即对电压延时量进行补偿，从而解决由于CPU运算延时△t，导致运算采样值为上一时刻数据，采样误差不断累加，进而导致数据失真的问题。
3.一种实现如权利要求1所述方法的设备，包括上位机(1)，其特征在于：上位机(1)分别连接仿真工控机(2)及风力模拟系统(3)，仿真工控机(2)连接信号接口电路(4)，信号接口电路(4)连接IGBT驱动电路(5)，IGBT驱动电路(5)连接双馈风机(6)，双馈风机(6)连接直流电机(7)，直流电机(7)连接风力模拟系统(3)；在双馈风机(6)与直流电机(7)的连接轴上设有转速采集装置(8)，转速采集装置(8)与信号接口电路(4)连接。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于：上位机(1)与仿真工控机(2)的以太网卡连接；仿真工控机(2)的以太网卡与信号接口电路(4)的以太网口连接，仿真工控机(2)的数据采集卡与信号接口电路(4)的外扩I/O口连接；IGBT驱动电路(5)的信号传输接口连接信号接口电路(4)的PWM输出口及外扩I/O口；转速采集装置(8)接入信号接口电路(4)的外扩I/O口。
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