一种基于实时代码生成的风力发电试验平台及其试验方法与流程

本发明涉及一种风力发配电技术领域的试验平台及其试验方法，具体讲涉及一种基于实时代码生成的风力发电试验平台及其试验方法。

背景技术：

风力发电作为可再生能源的主要方式得到了极大的重视，每年装机容量和发电量占总耗电量的比重逐年增加。双馈风力发电机的风电机组是目前的主流机型，而永磁发电机的直驱技术在海上风电领域越来越受到青睐。风电机组运行主要涉及到风力发电机的励磁控制、转矩控制、PWM调制技术等，在基于功率的控制算法中有功、无功的控制是主要指标。此外，最大功率追踪则是具有普遍意义的控制算法。除了与电气有关的部分之外，涉及风电机组机械系统的桨距调节技术通常和电气控制技术配合使用，完成风电机组的启停、低电压穿越功能。考虑到经济性、安全性、可行性等因素，科研人员通常首先在试验室环节中利用风力发电试验平台对各部分的设计和控制策略进行试验研究。

现阶段风力发电试验平台大多采用原动机和发电机同轴对拖连接，由原动机模拟风吹动叶轮产生转矩带动发电机旋转。发电机的变频器控制采用DSP芯片并需要手动编写程序代码。这种试验平台主要存在以下缺点：

1、控制算法从离线仿真到DSP代码实现过程繁琐，试验平台原动机的模拟系统需要模拟风机的最大风能捕获原理、机械系统高阶响应原理、风剪塔影效应、不同风速下转矩转速变化、风场尾流效应、变桨距系统等复杂的结构特点，将上述各项模拟功能用DSP实现则需要编写数量庞大数值计算的代码和辅助程序，实际调试费时、费力，准确性低，大部分精力浪费在代码编写的准确性和程序逻辑的正确上，而非模型本身。

2、风力发电采用双馈发电机和直驱发电机，二者具有不同的机械结构和控制算法，为了开展试验往往各自研制一套试验平台，变频器、控制器、拖动电机、拖动控制器等等都需要重复建设，增加投资，并且占用时间、空间。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于实时代码生成的风力发电试验平台及其试验方法，本发明设计在MATLAB2013a的Simulink环境中建立模型，离线仿 真正确后直接利用RTW实时代码生成技术生成代码下载到控制原动机的DSP中，省去了重新编写DSP程序的过程，不但可以提高平台开发效率，也能提高算法的准确率，节约成本，节约时间和空间。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键、重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于实时代码生成的风力发电试验平台，其改进之处在于，所述风力发电试验平台包括永磁电机、双馈电机、永磁电机变频器、双馈电机变频器、永磁电机DSP控制系统、双馈电机DSP控制系统、接触器和上位机；

所述永磁电机与双馈电机同轴连接，永磁电机定子与所述永磁电机变频器连接，所述永磁电机变频器通过接触器与电网连接；

双馈电机定子通过接触器与电网连接，双馈电机转子与双馈电机变频器的一侧连接，所述双馈电机变频器的另一侧通过接触器与电网连接；

所述永磁电机DSP控制系统的PWM输出与永磁电机变频器的IGBT驱动器连接，永磁电机DSP控制系统的JTAG仿真器与上位机连接；

所述双馈电机DSP控制系统的PWM输出与双馈电机变频器的IGBT驱动器连接，双馈电机DSP控制系统的JTAG仿真器与上位机连接。

进一步地，所述永磁电机DSP控制系统和双馈电机DSP控制系统均包括基于TMS320F28335DSP的原动机控制器、分别与基于TMS320F28335DSP的原动机控制器连接的FPGA_1、FPGA_2、AD采样电路、数字I/O模块、CAN总线控制器、JTAG仿真器、时钟信号模块、电源模块、转矩角控制信号模块、风速输入信号模块、启动、停止和保护信号模块以及正交编码信号模块；所述FPGA_1与逆变器光纤接口连接；所述FPGA_2与整流器光纤接口连接；所述AD采样电路与信号调理滤波电路连接。

进一步地，所述基于TMS320F28335DSP的原动机控制器用于运行风力发电机组的机械系统数学模型，得到原动机转矩给定值，并将原动机转矩给定值传递给永磁电机DSP控制系统或双馈电机DSP控制系统，通过永磁电机DSP控制系统或双馈电机DSP控制系统计算后得到电压给定值通过查表得到PWM波形信号，并发送给逆变器或整流器的光纤收发器，由光纤将PWM信号传给永磁电机变频器或双馈电机变频器的IGBT模块；所述基于TMS320F28335DSP的原动机控制器用于模拟风力发电机机械系统模型和风力发电机变流器控制策略低电压穿越策略；

所述FPGA_2运行整流器控制系统，通过运算得到整流器输出电压信号，查表后得到PWM信号，并发送给与整流器相连接的光纤收发器，通过光纤传递给永磁电机变频器或双馈电机变频器的IGBT模块；

风力发电试验平台试验过程中的变量和参数信息通过CAN总线控制器上传至上位机，上位机用于显示波形；

基于TMS320F28335DSP的原动机控制器通过数字I/O模块发送和接收数字指令，所述指令包括并网接触器开关信号、外部传感器输入信号和故障状态信号；

电压和电流模拟量通过信号调理滤波电路和AD采样电路输入到基于TMS320F28335DSP的原动机控制器，基于TMS320F28335DSP的原动机控制器用于反馈控制和系统保护；

在风力发电试验平台中与永磁电机或双馈电机同轴的正交编码测速仪得到转速的正交编码信号传递到正交编码信号模块，所述正交编码信号模块用于检测变速恒频控制中的转速；

所述联接上位机和永磁电机或双馈电机DSP控制系统的JTAG仿真器用于实现上位机的模型代码下载和变量实时上传功能。

进一步地，所述永磁电机变频器和双馈电机变频器均采用背靠背结构；所述背靠背结构包括两个完全相同的三相两电平变流器；所述三相两电平变流器由6只IGBT组成。

进一步地，所述上位机安装有MATLAB应用模块。

进一步地，所述风力发电试验平台作为永磁风力发电机试验平台或双馈风力发电机试验平台；

当风力发电试验平台工作在永磁风力发电模式时，双馈电机作为原动机，模拟风力吹动叶轮后整个风电机组机械响应；当风力发电试验平台运行在双馈风力发电模式时，永磁电机作为原动机，模拟风力吹动叶轮后整个风电机组机械响应。

本发明还提供一种基于实时代码生成的风力发电试验平台的试验方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

搭建基于实时代码生成的风力发电试验平台；

建立用于永磁电机DSP控制系统或双馈电机DSP控制系统实时代码生成的Simulink(Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境)数学模型；

针对自动代码生成模拟机械系统数学模型所设计的原动机控制器。

进一步地，搭建的基于实时代码生成的风力发电试验平台能够运行在永磁风力发电模式 或双馈风力发电模式；当试验平台运行在永磁风力发电模式时，双馈电机作为原动机，模拟风力吹动叶轮后整个风电机组机械响应；当试验平台运行在双馈风力发电模式时，永磁电机作为原动机，模拟风力吹动叶轮后整个风电机组机械响应。

进一步地，当试验平台运行在永磁风力发电模式时，双馈电机作为原动机，永磁电机作为发电机；在上位机MATLAB应用模块中建立基于Simulink的风电机组机械系统数学模型和双馈电机控制系统模块，并产生基于DSP的目标C语言应用模块，将C语言应用模块下载到双馈电机DSP控制系统中控制；双馈电机根据预先设定的风速曲线产生双馈电机转矩给定，并通过双馈电机转矩控制应用模块输出变频器转子端电压，由双馈电机变频器输出三相电压控制双馈电机跟踪给定转矩；永磁电机DSP控制系统检测永磁电机转速达到启动值后，开始控制永磁电机并网发电；通过永磁电机变频器输出永磁电机定子三相电压，驱动永磁电机并网发电；

当试验平台运行在双馈风力发电模式时，永磁电机作为原动机，在上位机MATLAB应用模块中建立基于Simulink的风电机组机械系统数学模型，并产生基于DSP的目标C语言应用模块，将C语言应用模块下载到永磁电机DSP控制系统中控制，永磁电机根据风速情况由风电机组数学模型计算出风机叶轮产生的驱动转矩，转矩作为给定转矩传递给永磁电机DSP控制系统并计算得到永磁电机定子电压值，由永磁电机变频器输出电压驱动永磁电机旋转；双馈电机作为发电机运行，产生基于DSP的目标C语言应用模块，将C语言应用模块下载到双馈电机DSP控制系统中控制；双馈电机DSP控制系统检测到电机转速达到启动值后，即开始执行并网发电指令，控制双馈电机完成并网发电。

进一步地，所述建立用于永磁电机DSP控制系统或双馈电机DSP控制系统实时代码生成的Simulink数学模型，包括：

在上位机的MATLAB应用模块建立基于Simulink的风电机组数学模型和原动机电机控制算法数学模型；基于TMS320F28335DSP的原动机控制器用于模拟风速模型，产生瞬时风速输出，并与机械系统数学模型连接；机械系统数学模型根据风速并按照风电机组最大风能捕获原理，计算得到风电机组叶轮转轴上产生的机械功率，并与电机控制器子系统连接；所述电机DSP控制器系统模型按照交流电机磁场定向控制原理，输出电压矢量的幅值和相角，并传递给电机DSP控制器系统模型中的空间矢量脉宽调制SVPWM子系统；空间矢量脉宽调制SVPWM子系统根据空间矢量调制原理输出变频器IGBT模块的驱动信号，通过变频器控制原动机模拟风电机组的运行；

为Simulink数学模型添加驱动模块；所述驱动模块可控制以下模块，包括：电机DSP控 制系统(电机DSP控制系统包括永磁电机DSP控制系统和双馈电机DSP控制系统)的模拟量采集模块ADC和ADC1，电机DSP控制系统的正交编码信号模块eQEP，电机DSP控制系统输出数字信号的模块Digital Output，电机DSP控制系统输入数字信号Digital Input，电机DSP控制系统中DSP输出PWM波形的模块ePWM，电机DSP控制系统中的CAN总线工作模块eCAN Receive和eCAN Transmit，电机DSP控制系统中的看门狗工作模块Watchdog；

对Simulink数学模型通过离线仿真验证结果正确后，并对Simulink数学模型文件进行仿真步长、采用算法和硬件信息设置以保证正确生成实时代码并下载到基于TMS320F28335DSP的原动机控制器中。

进一步地，针对自动代码生成模拟机械系统数学模型所设计的原动机控制器指的是永磁电机DSP控制系统或双馈电机DSP控制系统中基于TMS320F28335DSP的原动机控制器，所述基于TMS320F28335DSP的原动机控制器用于运行风力发电机组的机械系统数学模型，得到原动机转矩给定值，并将原动机转矩给定值传递给永磁电机DSP控制系统或双馈电机DSP控制系统，永磁电机DSP控制系统或双馈电机DSP控制系统计算后得到电压给定值通过查表得到PWM波形信号，并发送给逆变器或者整流器的光纤收发器，由光纤将PWM信号传给永磁电机变频器或双馈电机变频器的IGBT模块；所述基于TMS320F28335DSP的原动机控制器用于模拟风力发电机机械系统模型和风力发电机变流器的低电压穿越策略。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

针对在DSP中编程实现原动机模拟系统造成的代码编写繁琐、易出错、效率不高，本发明设计在MATLAB2013a的Simulink环境中建立模型，离线仿真正确后直接利用RTW实时代码生成技术生成代码下载到控制原动机的DSP中。省去了重新编写DSP程序的过程，不但可以提高平台开发效率，也能提高算法的准确率。

考虑到双馈风力发电和直驱风力发电两种方式的试验需求，本发明采用直驱电机和双馈电机同轴连接，分别配置一套背靠背变频器和DSP控制系统，并与安装有MATLAB的上位机连接，可以使用一座平台开展两种风力发电试验。

本发明可以在试验室条件下模拟真实风场风速变化时风电机组的工作情况，提供变桨距控制、变速恒频控制、低电压穿越控制的试验验证工具。

附图说明

图1是本发明实施例中基于实时代码生成的多功能风力发电试验平台结构图；

图2是本发明实施例中基于DSP28335的实时代码生成模型图；

图3是本发明实施例中DSP控制系统框图；

图4是本发明实施例中基于实时代码生成的多功能风力发电试验平台的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以便于本领域的技术人员实践。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

针对风力发电机组中广泛使用的双馈风力发电机和永磁风力发电机在前期试验室中利用试验平台进行验证的需求，研制一种基于实时代码生成的多功能风力发电试验平台。平台采用双馈发电机和永磁发电机同轴连接，各自设置一套背靠背变频器及其控制系统，当双馈电机作为发电机时，永磁电机作为原动机，开展双馈风力发电试验；永磁电机作为发电机时，双馈电机作为原动机，进行永磁电机风力发电试验，实现一个平台多种功能。永磁电机控制器和双馈电机控制器采用TMS320F28335DSP实现，一方面模拟风力发电机机械系统模型，同时模拟风力发电机变流器控制策略低电压穿越策略等。在MATLAB2013a的Simulink环境中搭建控制系统数学模型和机械系统数学模型，通过实时工作间(Real-Time Workshop,简称RTW)的实时代码功能生成针对TMS320F28335DSP的程序代码并自动下载到目标板卡，从而自动完成控制程序和机械模型DSP代码的编写。

如图1所示，图1是本发明实施例中基于实时代码生成的多功能风力发电试验平台结构图，主要包括永磁电机、双馈电机、永磁电机背靠背变频器、双馈电机背靠背变频器、永磁电机DSP控制系统、双馈电机DSP控制系统、连接永磁电机变频器与电网的接触器、连接双馈电机定子与电网的接触器、安装MATALB R2013a的上位机，DSP采用TI公司的TMS320F28335。所述永磁电机为永磁同步电机，所述双馈电机为双馈感应电机。

平台的永磁电机与双馈电机同轴连接，永磁电机定子与永磁电机背靠背变频器连接，永磁电机背靠背变频器通过接触器与电网连接。双馈电机定子通过接触器与电网连接，转子与双馈电机变频器连接，双馈电机变频器与电网连接。永磁电机DSP控制系统的PWM输出与变频器IGBT连接，永磁电机DSP控制系统JTAG仿真器与MATLAB上位机连接。双馈电机DSP控制系统的PWM输出与IGBT驱动连接，双馈电机DSP控制系统的JTAG与MATLAB上位机连接。

如图3所示，图3是本发明实施例中DSP控制系统框图；永磁电机DSP控制系统和双馈电机DSP控制系统均包括基于TMS320F28335DSP的原动机控制器、分别与基于TMS320F28335DSP的原动机控制器连接的FPGA_1、FPGA_2、AD采样电路、数字I/O模块、CAN总线控制器、JTAG仿真器、时钟信号模块、电源模块、转矩角控制信号模块、风速输入信号模块、启动、停止和保护信号模块以及正交编码信号模块；所述FPGA_1与逆变器光纤接口连接；所述FPGA_2与整流器光纤接口连接；所述AD采样电路与信号调理滤波电路连接。

基于TMS320F28335DSP的原动机控制器用于运行风力发电机组的机械系统数学模型，得到原动机转矩给定值，并将原动机转矩给定值传递给永磁电机DSP控制系统或双馈电机DSP控制系统，通过永磁电机DSP控制系统或双馈电机DSP控制系统计算后得到电压给定值通过查表得到PWM波形信号，并发送给逆变器或整流器的光纤收发器，由光纤将PWM信号传给永磁电机变频器或双馈电机变频器的IGBT模块；所述基于TMS320F28335DSP的原动机控制器用于模拟风力发电机机械系统模型和风力发电机变流器控制策略低电压穿越策略；

所述FPGA_2运行整流器控制系统，通过运算得到整流器输出电压信号，查表后得到PWM信号，并发送给与整流器相连接的光纤收发器，通过光纤传递给永磁电机变频器或双馈电机变频器的IGBT模块；

风力发电试验平台试验过程中的变量和参数信息通过CAN总线控制器上传至上位机，上位机用于显示波形；

基于TMS320F28335DSP的原动机控制器通过数字I/O模块发送和接收数字指令，所述指令包括并网接触器开关信号、外部传感器输入信号和故障状态信号；

电压和电流模拟量通过信号调理滤波电路和AD采样电路输入到基于TMS320F28335DSP的原动机控制器，基于TMS320F28335DSP的原动机控制器用于反馈控制和系统保护；

在风力发电试验平台中与永磁电机或双馈电机同轴的正交编码测速仪可以得到转速的正交编码信号传递到正交编码信号模块，所述正交编码信号模块用于检测变速恒频控制中的转速；

所述联接上位机和永磁电机或双馈电机DSP控制系统的JTAG仿真器用于实现上位机的模型代码下载和变量实时上传功能。

本发明专利的多功能是指同一个试验平台在不改变结构的前提下既可以用于永磁风力发电机试验平台，也可以作为双馈风力发电机试验平台。当工作在永磁风力发电模式时，双馈电机作为原动机，模拟风力吹动叶轮后整个风电机组机械响应。试验平台运行在双馈风力发电模式时，永磁电机作为原动机，模拟风力吹动叶轮后整个风电机组机械响应。

试验平台运行在永磁风力发电模式时，双馈电机作为原动机，永磁电机作为发电机，在MATLAB2013a上位机中直接建立基于Simulink的风电机组机械系统数学模型和双馈电机控制程序，并利用MATLAB的RTW和Embedded Targets功能产生基于DSP的目标C语言代码，直接将代码下载到双馈电机DSP控制系统控制。双馈电机根据程序预先设定的风速曲线产生双馈电机转矩给定，并通过双馈电机转矩控制程序输出变频器转子端电压，由变频器输出三相电压控制双馈电机跟踪给定转矩。永磁电机DSP系统检测电机转速达到启动值后，开始控制永磁电机并网发电。永磁电机的控制程序在MATLAB上位机在Simulink环境中编写，通过RTW和Embedded Targets功能产生实时C代码并下载到DSP中，从而通过DSP控制变频器输出永磁电机定子三相电压，驱动永磁电机并网发电。

当试验平台运行在双馈风力发电模式时，永磁电机作为原动机，在SIMULINK里编写风电机组机械系统数学模型，并通过RTW和Embedded Targets功能产生实时代码下载到永磁电机DSP控制系统中，程序根据风速情况由风电机组数学模型计算出风机叶轮产生的驱动转矩，此转矩作为给定转矩传递给永磁电机控制程序并计算得到永磁电机定子电压值，由变频器输出此电压驱动永磁电机旋转。双馈电机此时作为发电机运行，控制程序在MATLAB的Simulink中编写，通过RTW和Embedded Targets功能生成实时代码并下载到双馈电机DSP控制系统。双馈电机DSP控制系统检测到电机转速达到启动值后，即开始执行并网发电指令，控制双馈电机完成并网发电。作为原动机，模拟风力吹动叶轮后整个风电机组机械响应。

本平台采用风力发电机械系统数学模拟实时代码生成技术。在Simulink中搭建风力发电机组详细数学模型，离线仿真验证模型的准确性后，不用在DSP中重新编写代码，通过RTW和Embedded Targets生成实时代码直接下载到TMS320F28335DSP中，从而控制原动机模拟风机机械系统运行，具体步骤如下：

1)首先需要在上位机的MATLAB2013a/Simulink环境中编写风电机组数学模型和原动机电机控制算法。此文件既要保证程序核心算法的准确，也要添加用于驱动DSP的驱动模块。图2所示为完整仿真模型组成和信号连接。图2中为针对双馈电机的Simulink模型，如果用于永磁电机控制，则忽略图中转子电流信号并改变电机控制算法，其余模块结构和信号连接不变。图中“风速模型”子系统用于模拟风速模型，产生瞬时风速输出，并与“机械系统数学模型”子系统连接。“机械系统数学模型”子系统根据此时风速并按照风电机组最大风能捕获原理，计算得到风电机组叶轮转轴上产生的机械功率，并与“电机控制器”子系统连接。“电机控制器”子系统按照交流电机磁场定向控制原理，输出电压矢量的幅值和相角，并传递给“SVPWM”子系统。“SVPWM”子系统根据空间矢量调制原理输出变频器IGBT的驱动信号，从而通过变频器控制原动机模拟风电机组的运行。

2)给基于simulink的数学模型添加DSP硬件资源驱动模块，在Simulink-Embedded Coder中可以找到这些模块，如图2中用于控制DSP的模拟量采集模块“ADC”、“ADC1”，用于控制DSP正交编码信号采集的模块“eQEP”，控制DSP输出数字信号的模块“Digital Output”，控制DSP输入数字信号的“Digital Input”，控制DSP输出PWM波形的模块“ePWM”，控制DSP的CAN总线工作的模块“eCAN Receive”、“eCAN Transmit”，控制DSP看门狗工作的模块“Watchdog”。

3)在SIMULINK中建立数学模型，并通过离线仿真验证结果正确后，需要对模型文件进行必要设置才能保证正确生成实时代码并下载到DSP中运行。

如图4所示，图4是本发明实施例中基于实时代码生成的多功能风力发电试验平台的工作流程图，包括下述步骤：

1)首先在MATLAB2013a的Simulink环境下搭建机械系统数学模型和发电机控制模型，然后按照上述方法设置好仿真参数。接着在Simulink环境下设置所使用的目标DSP的品牌、型号等信息，然后将模型计算得到的输入输出变量与DSP硬件端口连接，以便DSP输出该变量。

2)完成上述工作后即可开始生成实时代码，如果程序没有语法错误或者设置错误，则生成代码后自动下载到DSP中，如果报错，返回修改模型和参数设置。

3)代码下载到DSP后，即可开始进行试验。首先系统会对硬件资源进行自检，如果出错，说明模型搭建存在语法错误或者设置错误，此时返回模型修改并重新生成代码下载。

4)如果通过自检，则设置试验条件，包括风速、叶轮长度、机械参数如惯量、扭转系数、刚性等参数。原动机开始按照风速和机械系统数学模型控制原动机工作。发电机控制系统控 制发电机并网发电等。

5)试验结束后分析试验波形，如需要返回Simulink中修改机械系统模型或者发电机控制模型，再重新开始试验。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。