基于FLC的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制在光伏水泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

夏循進(jìn)解玉滿(mǎn)

（1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，長(zhǎng)沙 410007）

基于FLC的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制在光伏水泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

夏循進(jìn)1解玉滿(mǎn)2

（1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，長(zhǎng)沙 410007）

針對(duì)光伏水泵系統(tǒng)中較難跟蹤多種工況下的最大功率點(diǎn)及永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大等不足，提出一種基于模糊邏輯的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。首先介紹光伏系統(tǒng)及永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型，其次提出直接轉(zhuǎn)矩空間矢量控制及實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的方法。最后以Matlab/Simulink軟件為平臺(tái)對(duì)提出的方法進(jìn)行了建模與仿真。仿真結(jié)果表明，本方法能顯著減小光伏水泵系統(tǒng)中永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速超調(diào)量，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

模糊邏輯控制；永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

根據(jù)國(guó)家能源局“十三五”規(guī)劃綱要，我國(guó)每年將新增1500萬(wàn)kW到2000萬(wàn)kW的光伏發(fā)電，繼續(xù)保持全球最強(qiáng)勁增長(zhǎng)。憑借其清潔、節(jié)能、便于安裝及僅需并網(wǎng)逆變器就能將電能送到電網(wǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，光伏（Photovoltaic,PV）系統(tǒng)在航空航天、通信系統(tǒng)、微波中繼站、無(wú)電缺電地區(qū)用戶(hù)供電及市政照明工程中具有潛在的研究和應(yīng)用價(jià)值[1-2]。尤其在農(nóng)網(wǎng)等局部電力供應(yīng)不足的地區(qū)，為提供人畜及農(nóng)作物正常供水，PV水泵系統(tǒng)已越來(lái)越顯現(xiàn)出其廣闊的應(yīng)用前景。

PV發(fā)電的主要問(wèn)題之一是其最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point,MPP）取決于溫度、太陽(yáng)輻射及負(fù)載變化等多種不確定性因素條件[3]。因此，確保 PV系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)及水泵電機(jī)高效運(yùn)行對(duì) PV水泵系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣具有至關(guān)重要的意義。然而，確保電機(jī)高效運(yùn)行的重要條件之一是確保 PV輸出電壓與水泵電機(jī)供電電壓之間直流電能的高效轉(zhuǎn)換。

為跟蹤 PV系統(tǒng)最大功率點(diǎn)及減小水泵電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，本文提出一種實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵用永磁同步電機(jī)人工智能控制的方法。首先，光伏輸出電壓連接到升壓斬波器上，然后采用模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control,FLC）實(shí)現(xiàn)在多種氣候條件和負(fù)載變化下對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。引入永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的高精度和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其中，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)被用于優(yōu)化開(kāi)關(guān)表以更可靠的空間電壓矢量。最后，以Matlab/Simulink軟件為平臺(tái)對(duì)本文提出的方法進(jìn)行了建模與仿真。仿真結(jié)果表明，采用本方法能顯著降低 PV水泵系統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量和減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 PV電池組件數(shù)學(xué)模型

PV板由串并聯(lián)連接的多塊單體電池構(gòu)成。圖1所示為PV單體電池的等效電路[4]。

圖1 PV單體電池等效電路

光生電流等于流過(guò)負(fù)載的電流、反向飽和電流、流過(guò)內(nèi)阻電流三者之和，標(biāo)準(zhǔn)的電池組件數(shù)學(xué)模型可表示為[5]

式中，n為P-N結(jié)理想因子，Vpv為PV板輸出電壓，Ipv為輸出電流，q為電荷常數(shù)，Ns為串聯(lián)的組件數(shù)目，Nsh為并聯(lián)的組件數(shù)目，k為波茲曼常數(shù)，Rsh為單體電池單并聯(lián)電阻，Rse為單體電池串聯(lián)電阻，T為電池表面溫度。

1.2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)（PMSM）在轉(zhuǎn)子 d-q軸坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為[6]

式中，ud、uq、id、iq和Ld、Lq分別為定子電壓、電流和電感的d、q軸分量；Rs為定子電阻；np為電機(jī)極對(duì)數(shù)；ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B為粘滯摩擦系數(shù)；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；θ 為轉(zhuǎn)子瞬時(shí)角位置。

2 直接轉(zhuǎn)矩空間矢量控制

在帶有磁鏈控制閉環(huán)、轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)及磁鏈與轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)的直接轉(zhuǎn)矩空間矢量控制中，根據(jù)電機(jī)需求實(shí)時(shí)計(jì)算參考電壓矢量。由于微分算法對(duì)負(fù)載擾動(dòng)極其敏感且不穩(wěn)定，在反饋信號(hào)偏差計(jì)算中，可能導(dǎo)致較大的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)進(jìn)而影響控制系統(tǒng)的總體性能。本文采用基于定子電壓幅值和轉(zhuǎn)差角頻率的直接轉(zhuǎn)矩空間矢量控制系統(tǒng)來(lái)改善系統(tǒng)的性能。圖2為基于電壓幅值和定子磁鏈角的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖。如圖2所示，DTC-SVM控制系統(tǒng)由用于轉(zhuǎn)差角頻率的PI調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器、磁鏈PI調(diào)節(jié)器和笛卡爾極性變換模塊組成。其中，笛卡爾極性變換模塊用于計(jì)算電壓幅值及電壓在 d-q參考坐標(biāo)系的采樣時(shí)間。給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的偏差經(jīng)包含F(xiàn)LC的轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器后提供給定轉(zhuǎn)矩。

圖2 基于電壓幅值和定子磁鏈角的DTC-SVM控制系統(tǒng)

3 最大功率點(diǎn)跟蹤

實(shí)時(shí)跟蹤 PV系統(tǒng)最大功率點(diǎn)對(duì)整個(gè)水泵系統(tǒng)的運(yùn)行是至關(guān)重要的，而能否順利實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤在很大程度上取決于絕緣等級(jí)和工作溫度。PV水泵系統(tǒng)通常具有較強(qiáng)的魯棒性、易于實(shí)現(xiàn)及無(wú)需實(shí)際模型的知識(shí)等優(yōu)點(diǎn)，然而卻需要 PV系統(tǒng)運(yùn)行的完整知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。FLC的輸入變量為偏差e及在采樣時(shí)刻k處偏差的導(dǎo)數(shù)de，即

本文采用基于“If X and Y,Then Z”的模糊規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)FLC對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤及MEMDANI模糊推理方法來(lái)確定正極、負(fù)極和零序電壓電流及阻抗的輸出。去模糊化采用基于重力中心算法來(lái)計(jì)算在最優(yōu)占空比中的 FLC的輸出。模糊控制規(guī)則見(jiàn)表1。

表1 模糊控制規(guī)則

4 建模與仿真

為驗(yàn)證基于FLC的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的可行性，以Matlab/Simulink軟件為平臺(tái)進(jìn)行建模與仿真。電機(jī)主要參數(shù)如下：極對(duì)數(shù)np為2，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速120rad/s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3Nm，仿真時(shí)間0.2s。電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速120rad/s起動(dòng)，在0.1s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩從10Nm躍變到20Nm。圖3和圖4分別為轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。從圖3可以看出，電機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)短暫的超調(diào)，但之后迅速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速120rad/s。在0.1s時(shí)轉(zhuǎn)速?gòu)?20rad/s跳變到?120rad/s，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，且給定轉(zhuǎn)速變化時(shí)能迅速實(shí)現(xiàn)新的穩(wěn)態(tài)。從圖4可以看出，采用FLC的控制算法的PMSM控制系統(tǒng)具有較小的轉(zhuǎn)矩震蕩。

圖3 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖4 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn) PV水泵系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤最大功率點(diǎn)及減小水泵電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提出一種基于模糊邏輯控制的 PV水泵系統(tǒng)用永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。首先從 PV單體電池及永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型出發(fā)，引入直接轉(zhuǎn)矩空間矢量控制技術(shù)，給出實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率實(shí)時(shí)跟蹤的模糊邏輯控制的規(guī)則。最后，以Matlab/Simulink軟件為平臺(tái)對(duì)本文提出的方法進(jìn)行了建模與仿真。仿真記過(guò)驗(yàn)證了本方法的性能及實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤和減小水泵電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的可行性與可靠性。對(duì)PV水泵系統(tǒng)在農(nóng)網(wǎng)等缺電地區(qū)的推廣具有一定的研究參考價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。

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表2 電能質(zhì)量事件的評(píng)估時(shí)間

且該系統(tǒng)配有UPS，可以不間斷工作，對(duì)于供電系統(tǒng)失電瞬間的電能質(zhì)量事件，也可以進(jìn)行分析，為問(wèn)題定位提供依據(jù)。

3 結(jié)論

文中提出的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)既適用于民用供電系統(tǒng)，也適用于樓宇、機(jī)場(chǎng)、企業(yè)等工業(yè)用電系統(tǒng)?；诰W(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)具備布線簡(jiǎn)單，靈活性高，成本低。由于采用低壓直流供電，相對(duì)普通高壓交流電供電而言，更安全。且系統(tǒng)采用供電與通信雙組網(wǎng)功能，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋越來(lái)越廣泛，PoE供電技術(shù)越來(lái)越成熟的情況下，將電能質(zhì)量設(shè)備設(shè)計(jì)為 PD設(shè)備，基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)控點(diǎn)布局，形成覆蓋面更全的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。終端設(shè)備為熱插拔設(shè)備，可靈活介入系統(tǒng)各個(gè)分支，系統(tǒng)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)協(xié)議進(jìn)行對(duì)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣基本同步。采樣數(shù)據(jù)均傳遞給服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)，對(duì)于評(píng)估時(shí)間較長(zhǎng)的電能質(zhì)量事件，可進(jìn)行共性分析，從而發(fā)現(xiàn)故障根源。且這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能較好地發(fā)現(xiàn)微觀電能質(zhì)量現(xiàn)象，為局部電能質(zhì)量治理提供更好的決策依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介

李受明（1981-），男，江蘇省南通市人，碩士，工程師，主要從事電能質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備研發(fā)工作。

Direct Torque Control of PMSM based on FLC in the Application of Photovoltaic Pump System

Xia Xunjin1Xie Yuman2
(1.State Grid Electric Power Research Institute Wuhan NARI Co.,Ltd,Wuhan 430074;2.State Grid Hu’nan Electric Power Company,Changsha 410007)

To solve the deficiency of difficult to track the maximum power point under different working conditions and high torque ripple of permanent magnet synchronous motors in the photovoltaic pump system,a novel direct torque control for permanent magnet synchronous motors based on fuzzy logic control is proposed.To begin with the structure and mathematical model of PV system and PMSM,the direct torque control based on space vector modulation is proposed and implementation method of tracking the maximum power point.Finally,modeling and simulation are carried out by taking the software of Matlab/Simulink as platform.Simulation results show that,speed characteristic can be improved and torque ripples can be diminished significantly by the proposed method for PV pump systems,so the proposed method has a good dynamic and static performance.

fuzzy logic cortrol;permanent magnet synchronous motor;direct torque control;torque ripple

夏循進(jìn)（1985-），男，助理工程師，國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，主要從事電力電氣等方面研究工作。