0 引言

    嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，但設(shè)計(jì)復(fù)雜、人員分工細(xì)、角色多，設(shè)計(jì)各階段彼此孤立、重復(fù)勞動(dòng)嚴(yán)重、投資大、開發(fā)周期長(zhǎng)，手工編程的效率與出錯(cuò)率人為因素大，查錯(cuò)與修正的費(fèi)用大。如何快速、高效、高性價(jià)比地開發(fā)出高質(zhì)量的嵌入式控制系統(tǒng)成為參與方的關(guān)注點(diǎn)。基于模型設(shè)計(jì)（Model-based Design，MBD）的系統(tǒng)開發(fā)理念就如嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的變革一樣，逐漸為參與方所接受。

    雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是典型的功率硬件型嵌入式控制系統(tǒng)，其控制方式靈活，在不同應(yīng)用環(huán)境與不同控制目標(biāo)下有著不同控制算法^[1-5]，但基本硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化不大，通過基于模型開發(fā)，可以大大提高理論算法到實(shí)物驗(yàn)證的效率，也可以更低成本完成各種工況下的測(cè)試。

1 基于模型開發(fā)流程

    MBD將嵌入式控制系統(tǒng)分為控制對(duì)象、控制器、控制算法，這三者都具有不確定性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段都需要完成三者比較全面的驗(yàn)證^[6-10]。如圖1所示，主要過程可分為如下幾個(gè)在環(huán)驗(yàn)證階段^[8-10]：

    (1)模型在環(huán)（Model In Loop，MIL）： 需求分析、系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段中進(jìn)行溝通、需求確認(rèn)，以及功能、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與算法理論驗(yàn)證。

    (2)軟件在環(huán)（Software In Loop，SIL）：通過代碼自動(dòng)生成工具將MIL階段的模型生成相關(guān)平臺(tái)代碼，驗(yàn)證代碼與原模型的執(zhí)行效果的一致性。

    (3)處理器在環(huán)（Processor In Loop，PIL）：SIL是離線非實(shí)時(shí)驗(yàn)證，在實(shí)際控制執(zhí)行時(shí)，會(huì)受到實(shí)際平臺(tái)與控制對(duì)象的影響，尤其是處理器資源的制約，把代碼寫入目標(biāo)處理器后，評(píng)估處理器方案。

    (4)快速原型開發(fā)平臺(tái)(Rapid Control Platform，RCP)：采用高性能的控制器，通過自動(dòng)代碼生成工具將模型轉(zhuǎn)化為平臺(tái)代碼，加載后入環(huán)控制具體實(shí)物，以此迅速驗(yàn)證控制算法、拓?fù)洹㈤]環(huán)過程。

    (5)硬件控制器在環(huán)（Hardware In Loop，HIL）：原型的測(cè)試驗(yàn)證會(huì)受制于實(shí)物環(huán)境、測(cè)試條件以及測(cè)試成本，采用通用控制器模擬控制對(duì)象。

    雙饋風(fēng)電系統(tǒng)是典型的功率硬件型嵌入式控制系統(tǒng)，將MBD、RCP、HIL、電力電子組件單元(Power Electronic Building Blocks，PEBB)結(jié)合應(yīng)用于雙饋風(fēng)機(jī)仿真系統(tǒng)，有助于提高系統(tǒng)的研發(fā)效率。

2 雙饋風(fēng)電半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    雙饋型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、齒輪箱、雙饋電機(jī)、機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、LC濾波電路、隔離變壓器、電網(wǎng)等組成。系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。

    基于實(shí)驗(yàn)成本與方便性考慮，風(fēng)機(jī)、齒輪箱采用可編程控制的電拖平臺(tái)來模擬。本文采用三相異步電機(jī)YVP132M-4-7.5 kW，由通用型矢量變頻器ABB-ACS550-01-031A進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制以模擬真實(shí)風(fēng)機(jī)。采用定制的雙饋電機(jī)，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，功率5 kW，定子側(cè)電壓380 V，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓1 100 V。機(jī)側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器為對(duì)稱背靠背的IGBT三相橋，開關(guān)頻率為10 kHz，其控制由實(shí)際控制器與實(shí)時(shí)仿真器共同控制。實(shí)際控制器采用TMS320F28335為核心CPU方案與STM32F103為輔助人機(jī)接口控制，實(shí)時(shí)控制器可以選擇YXSPACE、DSPACE、NI通用控制器等實(shí)時(shí)快速原型控制器^[11-13]，本文以NI 通用控制器為實(shí)時(shí)仿真器進(jìn)行控制。在硬件電路中將PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)、保護(hù)信號(hào)、電壓電流模擬信號(hào)通過信號(hào)轉(zhuǎn)接板進(jìn)行信號(hào)多通轉(zhuǎn)接，以實(shí)現(xiàn)實(shí)際控制器與實(shí)時(shí)仿真器在系統(tǒng)控制中能對(duì)等控制。各控制器執(zhí)行的功能根據(jù)實(shí)際研究進(jìn)行相關(guān)配置。本例中PWM驅(qū)動(dòng)輸出由實(shí)時(shí)仿真器控制，保護(hù)與邏輯由實(shí)際控制器控制。實(shí)時(shí)仿真器的程序采用Simulink仿真模型自動(dòng)生成。電網(wǎng)部分可以采用雙向交流可編程模擬源或者真實(shí)電網(wǎng)，本文中采用真實(shí)電網(wǎng)，額定電壓380 V。

3 基于Simulink的離線仿真

    Simulink的離線仿真對(duì)應(yīng)著MBD的MIL，系統(tǒng)的離線仿真模型主要由風(fēng)速、風(fēng)機(jī)、齒輪箱、雙饋電機(jī)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、電網(wǎng)等組成，不同研究點(diǎn)，對(duì)各個(gè)模型的精確度要求并不完全一致^[13-17]。Simulink下建立的離線仿真模型如圖3所示，部分仿真波形如圖4所示。

4 風(fēng)力模型的功率硬件在環(huán)仿真

    風(fēng)力發(fā)電的實(shí)物驗(yàn)證受環(huán)境、自然因素、天氣條件等影響，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)困難重重^[14-17]，因此可以構(gòu)建等效的模擬風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，來模擬實(shí)際風(fēng)力機(jī)的工作特性。MIL與實(shí)際工況有較大的差距，仿真結(jié)果不足夠驗(yàn)證實(shí)際，采用模擬等效風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，是真實(shí)的功率級(jí)信號(hào)，與實(shí)際更加逼近，后級(jí)的變流器與電網(wǎng)則與真實(shí)系統(tǒng)一致。本文采用矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)來模擬離線仿真模型中的風(fēng)速、風(fēng)機(jī)、齒輪箱，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。上位機(jī)設(shè)置風(fēng)速模型與風(fēng)機(jī)模型，通過USB轉(zhuǎn)串口RS232與變頻器通信，矢量型變頻器獲得目標(biāo)控制轉(zhuǎn)矩，控制異步電機(jī)輸出,轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩采集裝置通過以太網(wǎng)通信返回給上位機(jī)。

    矢量變頻器根據(jù)PC輸入的轉(zhuǎn)矩指令進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。通信接收、指令執(zhí)行兩個(gè)環(huán)節(jié)為硬件在環(huán)系統(tǒng)中的兩個(gè)瓶頸。自然界的風(fēng)速變化一般都相對(duì)緩慢，秒級(jí)的模擬仿真步長(zhǎng)可以逼近真實(shí)風(fēng)速的情況，但若要暫態(tài)仿真研究風(fēng)機(jī)特性，該仿真步長(zhǎng)則會(huì)造成比較大的失真。因此HIL中硬件控制器的響應(yīng)輸出特性與通信實(shí)時(shí)性是兩個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)。

5 變流器控制算法的快速原型開發(fā)

    本系統(tǒng)中雙饋電機(jī)的變流控制系統(tǒng)涉及兩部分：轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器，通過網(wǎng)側(cè)變流器可進(jìn)行風(fēng)力最優(yōu)跟蹤控制，通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器進(jìn)行PQ解耦控制與并網(wǎng)合閘控制。本文僅以轉(zhuǎn)子側(cè)PQ解耦控制算法快速原型實(shí)現(xiàn)為例。

5.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制原理

    設(shè)定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸為定子磁鏈方向，由此可以得到簡(jiǎn)化的雙饋電機(jī)變量之間關(guān)系：  

    由式(1)分析可得，有功P₁與定子電流q軸分量i_qs成正比、無功Q₁與定子電流d軸分量 i_ds成正比，分別調(diào)節(jié)i_qs、i_ds即可實(shí)現(xiàn)對(duì)解耦控制。

    轉(zhuǎn)子側(cè)電流、電壓方程如下：

    轉(zhuǎn)子側(cè)變流器矢量控制如圖7所示，其中包含功率、電流兩個(gè)閉環(huán)控制。在功率外環(huán)中，有功指令P^*由功率追蹤控制模塊根據(jù)風(fēng)力機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速w_r給出，無功指令Q^*根據(jù)有關(guān)的無功控制方法得出。

5.2 Simulink控制模型分割

    在Simulink離線仿真基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制部分模型進(jìn)行分割，分割時(shí)要與實(shí)時(shí)仿真器的輸入輸出接口進(jìn)行對(duì)應(yīng)，例如三相電壓，需要分別分離出A、B、C三相電壓輸入接口，PWM信號(hào)的輸出需要與實(shí)際控制器件開通電平一致，并要進(jìn)行死區(qū)設(shè)置。在離線仿真模型中速度是一個(gè)參數(shù)，但在實(shí)際測(cè)試中速度需要通過速度傳感器測(cè)試獲得，這就要在模型中進(jìn)一步模擬編碼器脈沖信號(hào)獲得速度信號(hào)的功能，分割后的仿真模型如圖8所示。

5.3 實(shí)時(shí)控制器代碼生成

    采用Simulink中代碼生成器可以對(duì)分離后的模型進(jìn)行編譯生成目標(biāo)主機(jī)的代碼或者動(dòng)態(tài)庫(kù)。在生成代碼步驟中，需要與實(shí)際硬件條件進(jìn)行結(jié)合，在離線仿真中，非實(shí)時(shí)控制，仿真步長(zhǎng)理論上可以設(shè)置得無限小，不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)執(zhí)行時(shí)間也不完全一致，而在實(shí)際控制過程中計(jì)算步長(zhǎng)的時(shí)間需要考慮實(shí)際執(zhí)行時(shí)間，設(shè)定的步長(zhǎng)時(shí)間如1×10^-4 s，就需要實(shí)際硬件平臺(tái)在實(shí)際1×10^-4 s內(nèi)完成一個(gè)積分周期的運(yùn)算與處理，硬件平臺(tái)的處理能力、實(shí)際模擬量的采樣速度、控制對(duì)象實(shí)際執(zhí)行周期、多處理器之間的通信延時(shí)都會(huì)是實(shí)際控制過程中的可控制周期的瓶頸。Simulink提供了強(qiáng)大的交叉編譯的代碼生成集成工具，如圖9所示。

5.4 程序加載與端口綁定

    通過代碼生成工具可獲得原模型對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）文件或者可燒寫的文件，若采用YXSPACE在Simulink環(huán)境下即可完成TI的硬件連接與程序燒寫，若采用NI的通用控制器可以采用遠(yuǎn)寬的RT-SIM或者NI的VERISTAND與NI控制器進(jìn)行連接，導(dǎo)入DLL后，完成程序的燒寫。DLL程序的輸入、輸出參量需要與實(shí)際硬件一一對(duì)應(yīng)。

5.5 人機(jī)界面

    端口綁定完畢后，搭建需要的人機(jī)控制界面，RT-SIM下提供了5類基本控件，分別是調(diào)節(jié)框、按鈕、靜態(tài)框、指示燈、示波器，根據(jù)需要將待控制或者待顯示參量進(jìn)行綁定設(shè)置。人機(jī)界面中主要完成初始參數(shù)設(shè)置，PWM驅(qū)動(dòng)使能控制以及波形輸出顯示。

5.6 實(shí)時(shí)測(cè)控

    對(duì)相關(guān)控制參量進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)束后即可以聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)。設(shè)置轉(zhuǎn)子初始位置參數(shù)、有功參考指令值、無功參考指令值，通過示波器查看定子電壓和電網(wǎng)電壓，定子電壓建立與電網(wǎng)重合后，可以合閘，即可實(shí)現(xiàn)空載并網(wǎng)過程。調(diào)整有功設(shè)定值，即可調(diào)整并網(wǎng)功率。通過上位機(jī)調(diào)整風(fēng)速輸出，可以靈活觀察發(fā)電機(jī)的各種工況，例如從亞同步到超同步過程，控制效果如圖10所示。

6 結(jié)論

    基于模型設(shè)計(jì)開發(fā)能夠大大提高嵌入式控制系統(tǒng)的理論到實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化效率，能夠極大地提高嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試效率，MATLAB提供了MBD的集成開發(fā)環(huán)境以及相關(guān)代碼生成工具。本文采用基于模型設(shè)計(jì)開發(fā)的理念設(shè)計(jì)了硬件在環(huán)雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用PC設(shè)定風(fēng)速模型、風(fēng)機(jī)模型，經(jīng)過運(yùn)算以后獲得模擬風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，通過與矢量變頻器遠(yuǎn)程串口通信控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出以在環(huán)仿真風(fēng)機(jī)系統(tǒng)（HIL），秒級(jí)的仿真步長(zhǎng)能夠真實(shí)地逼近風(fēng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩曲線；雙饋電機(jī)的變流系統(tǒng)采用PEBB理念，背靠背雙PWM控制，由NI的通用控制器執(zhí)行算法，進(jìn)行PWM驅(qū)動(dòng)輸出，由TI-F28335 CPU為平臺(tái)構(gòu)成的實(shí)際控制器執(zhí)行保護(hù)與邏輯、測(cè)量等一些輔助操作，根據(jù)實(shí)際研究的需要，可合理分配通用控制器與實(shí)際控制器的控制功能，輔助控制器能夠很好地輔助通用控制器進(jìn)行算法驗(yàn)證。該系統(tǒng)能夠很好地提高雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的算法研究以及各種工況下測(cè)試的效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉晉.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2014.

[2] 劉其輝，毛未，高瑜.提升無功調(diào)節(jié)能力的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變模式控制策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2018(9)：85-92.

[3] 張建忠，熊良根，杭俊，等.DFIG風(fēng)電機(jī)組串聯(lián)耦合補(bǔ)償?shù)蛪捍┰窖芯縖J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（1）：67-73.

[4] 侯世英，肖旭，張闖，等.直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010(6)：80-83.

[5] 吳熙，關(guān)雅靜，寧威，等.雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器參數(shù)對(duì)次同步振蕩的交互影響機(jī)理及其應(yīng)用研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2018，42（8）：2536-2544.

[6] 劉杰.基于模型的設(shè)計(jì)及其嵌入式實(shí)現(xiàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[7] STEURER M，BOGDAN F，REN W，et al.Controller and power hardware-in-loop methods for accelerating renewable energy integration[C].2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting, VOLS 1-10，2007：3385-3388.

[8] LI G，JIANG S，XIN Y，et al.An improved DIM interface algorithm for the MMC-HVDC power hardware-in-the-loop simulation system[J].International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2018，99：69-78.

[9] TOH C L，WONG Y M，NORUM L E.Power electronics building block(PEBB)hardware design and reliability prediction[C].IEEE International Conference on Power and Energy，2017：166-171.

[10] 韓金剛，馬治遠(yuǎn)，趙銘，等.模型預(yù)測(cè)控制三相逆變器的研究[J].電工電能新技術(shù)，2014，33（7）：33-37，54.

[11] 汪新星，劉旭，劉浩.基于StarSim和平均值法的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)硬件在環(huán)仿真[J].電網(wǎng)與清潔能源，2014，30（4）：53-59.

[12] 張慶武，陳樂，魯江，等.直流輸電控制策略對(duì)換相失敗影響的比較研究[J].電工電能新技術(shù)，2015（7）：53-57.

[13] 吳姣，郝玉鍇，徐寧，等.一種使用MATLAB/Simulink的Arduino模型化開發(fā)方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(6)：60-63.

[14] 歐陽(yáng)惠，李培強(qiáng)，李欣然，等.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的兩種低電壓穿越方案對(duì)比分析[J].電工電能新技術(shù)，2014（8）：43-48.

[15] 李立.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2016.

[16] 陳杰.變速定槳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[17] 吳吟簫.基于風(fēng)速預(yù)估的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

作者信息:

張卿杰1，2，陸廣香1，徐  友3，左  楠4，張澄宇2

（1.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京210031；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,江蘇 南京210000；

3.南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京210000；4.南京研旭電氣科技有限公司，江蘇 南京210000）