一种基于ＦＰＧＡ的风电系统最大功率跟踪控制器技术方案

本发明专利技术涉及一种基于ＦＰＧＡ的风电系统最大功率跟踪控制器，包括滑模极值搜索模块和模糊参数整定模块，根据模糊参数整定模块的输出对滑模极值搜索模块的参数进行调整；所述滑模极值搜索模块包括比较单元、开关单元和２个积分器，所述模糊参数整定模块包括模糊控制器，模糊控制器的输入为风电系统功率跟踪误差和风速。其优点是：将风电系统模糊滑模极值搜索最大功率跟踪控制器在一片ＦＰＧＡ上实现，体积小，设计灵活，控制器响应速度快；不需要知道风机的参数、不需精确测量风速及计算风电系统输出功率的微分，跟踪精度、稳定性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种控制器，尤其是一种基于FPGA的风电系统最大功率跟踪 控制器。
技术介绍
风能是一种清洁、分布广泛、发展最快的可再生能源，也是具有大规模开 发和商业化发展前景的可再生能源。但是，风能也是一种具有随机性、爆发性、 不稳定性特征的能源，为了提高风能的利用率，需要根据风速的变化控制风机 的运行以捕获最大功率。目前，常规的风电系统最大功率跟踪控制方法主要有叶尖速比(Tip Speed Ratio-TSR)控制、功率信号反馈(Power Signal Feedback-PSF)控制、爬山法(Hill Climb Searching-HCS)等。TSR控制需要实时精确地测量风速，由于风速的随机 性及可变性使得其在实际控制中的精确测量较为困难。PSF控制利用风机特性 和双馈电机功率流特性实现定子有功功率控制，从而实现发电机转速的调节； 该方法不需要测量风速，但风机的特性需要经过大量实验测试获得。HCS通过实 时测量风机转速和输出功率，利用数学寻优方法跟踪最大输出功率，该方法避 免了测量风速，但需要实时测量、计算输出功率和转速的微分，微分环节会使 噪声放大、高频不稳定，限制了其动态性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于FPGA (可编程 逻辑门阵列)的风电系统模糊滑模极值搜索最大功率跟踪控制器，为实现风电 系统最大风能捕获提供最优转速参考值。按照本专利技术提供的技术方案，所述基于FPGA的风电系统最大功率跟踪控 制器包括滑模极值搜索模块和模糊参数整定模块，根据模糊参数整定模块的输 出对滑模极值搜索模块的参数进行调整；所述滑模极值搜索模块包括比较单元、 开关单元和2个积分器，所述模糊参数整定模块包括模糊控制器；将滑模极值搜索模块生成的风电系统最大功率《作为参考值，并与风电系 统的实际输出功率A通过比较单元相减输出功率跟踪误差e ，根据功率跟踪误 差e构造开关单元；所述开关单元包括三态开关函数和硬限幅开关函数，三态开关函数的输出 ^经过积分生成的值作为搜索到的最大功率参考值《，硬限幅开关函数的输出a经过积分生成的值作为最大功率参考值iV所对应的最优速度参考值w:;所述开关单元的参数由模糊控制器的输出整定，所述模糊控制器的输入为 风电系统功率跟踪误差e和风速F。所述三态开关函数的表达式为0且-)b < A:i e <十h)或0 < 0且-h < . e < +h)+ 若(Ai. e < -h)或(S > 0且Ai. e < -h) —&2 若(A:i e > +允4)或(6 < 0且A;i e > +h)h为所述三态开关函数Zl(e)的输入比例系数，h为所述三态开关函数zi(e)的幅值，h、为所述三态开关函数zi(e)的两个阈值，A:i、 A:2、 h、 h 都为正值。所述硬限幅开关函数的表达式为z々卜卜，0I->b 若O^为所述硬限幅开关函数Z2(e)的幅值，为正值。所述滑模极值搜索模块、模糊参数整定模块在一片FPGA芯片上实现，FPGA 芯片的输入为风电控制系统输出功率A和风速K对应的数字量信号，输出为最 优速度参考值^对应的数字量信号。本专利技术的优点是釆用滑模极值搜索控制实现风电系统最大功率跟踪，滑 模极值搜索控制的参数由模糊控制的输出动态整定，采用FPGA对所述滑模极 值搜索模块、模糊参数整定模块进行了硬件实现；不需获取风机的数学模型和 参数，风速测量精度要求不高，避免了微分环节，跟踪精度和稳定性高，且体 积小、设计灵活、控制器的响应速度快。 附图说明图1是基于FPGA的风电系统最大功率跟踪控制器结构框图； 图2是滑模极值搜索模块中开关单元原理图； 图3是模糊参数整定模块输入输出连接示意图； 图4是本专利技术嵌入到并网型双馈风电系统中的使用状态图。 具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示本专利技术包括滑模极值搜索模块和模糊参数整定模块，根据模 糊参数整定模块的输出对滑模极值搜索模块的参数进行调整；所述滑模极值搜 索模块包括比较单元、开关单元和两个积分器，所述模糊参数整定模块包括模 糊控制器。所述比较单元将滑模极值搜索模块生成的风电系统最大功率参考值《与风 电系统的实际输出功率^相减，得到功率跟踪误差e。所述开关单元由三态开关函数ri(e)和硬限幅开关函数Z2(e)构成，如图2所示；所述三态开关函数ri(e)的表达式为0 若(6 > 0且-ib < ;ti e < +克4)或(6 < 0且-h < /h e < +h)zi(e) =' + h 若(A:i. e < -A:4)或(g > 0且Ai. e < -h) ， 一 h 若(h e > +众4)或(6 < O且h e > +h)所述硬限幅开关函数。(e)的表达式为z2(e)=t5 —，[~ A:5 若e < 0h、 h、 h、 h、 h都为正值，h为所述三态开关函数zi(e)的输入比 例系数，h为所述三态开关函数zi(e)的幅值，h、 h为所述三态开关函数。(e) 的两个阈值，h为所述硬限幅开关函数Z2(e)的幅值。所述三态开关函数Zi(e)的 输出。经过积分生成的值作为搜索到的最大功率参考值《，所述硬限幅开关函 数Z2(e)的输出经过积分生成的值作为最优速度参考值V^'，与获得的最大功 率《相对应，即在最优速度参考值w:下风电系统将输出最大功率值《。所述滑 模极值搜索模块不需要测量计算风电系统输出功率的微分及风速信号。所述滑模极值搜索模块中的开关单元有五个参数h、 h、 h、、， 需要根据不同的风速范围以及跟踪误差进行整定，以提高搜索的精度和快速性。 本专利技术采用模糊控制实现这一功能，即模糊参数整定模块。如图3所示，所述模 糊参数整定模块的输入为功率跟踪误差e和风速信号F，输出为所述滑模极值搜索模块中开关单元的五个参数h、 &、 h、 h、 h;所述风速信号m测量精度的要求不高。将所述滑模极值搜索模块、模糊参数整定模块在一片FPGA芯片 EP1C6T144C8上实现。所述FPGA的输入为风电控制系统输出功率P,和风速F对应的数字量信号，输出为最优速度参考值^:对应的数字量信号。将本专利技术嵌入到并网型双馈风电系统中，如图4所示。风机、齿轮箱、双馈电机，转子侧变换器、网侧变换器、电容、变压器及 电网构成并网型双馈风电系统的本体模块；并网型双馈风电系统的控制器由TI 的F2812DSP实现，主要完成网侧变换器及转子侧变换器的矢量控制、PWM触 发信号调制、风电系统实际输出的有功功率和无功功率测量计算功能。隔离驱动电路对来自于DSP的PWM信号进行隔离放大后驱动网侧变换器 和转子侧变换器；双馈电机定子侧输出的电压、电流信号经过处理电路后生成 电压电流的过零信号以及适合于F2812DSP的A/D输入范围的测量信号，并分 别连接到F2812 DSP的捕获单元CAP1-2和A/D转换单元，以供DSP进行有功 功率和无功功率的测量计算；并将有功功率以数字量的形式，通过F2812DSP 的数字量输出口 (本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＦＰＧＡ的风电系统最大功率跟踪控制器，其特征是：包括滑模极值搜索模块和模糊参数整定模块，根据模糊参数整定模块的输出对滑模极值搜索模块的参数进行调整；所述滑模极值搜索模块包括比较单元、开关单元和两个积分器，所述模糊参数整定模块包括模糊控制器；　将滑模极值搜索模块生成的风电系统最大功率Ｐ↓［ｓ］↑［＊］作为参考值，并与风电系统的实际输出功率Ｐ↓［ｓ］通过比较单元相减输出功率跟踪误差ｅ，根据功率跟踪误差ｅ构造开关单元；　所述开关单元包括三态开关函数和硬限幅开关函数，三态开关函数的输出ｚ↓［１］经过积分生成的值作为搜索到的最大功率参考值Ｐ↓［ｓ］↑［＊］，硬限幅开关函数的输出ｚ↓［２］经过积分生成的值作为最大功率参考值Ｐ↓［ｓ］↑［＊］所对应的最优速度参考值ｗ↓［ｒ］↑［＊］；　所述开关单元的参数由模糊控制器的输出整定，所述模糊控制器的输入为风电系统功率跟踪误差ｅ和风速Ｖ。

【技术特征摘要】
1、一种基于FPGA的风电系统最大功率跟踪控制器，其特征是包括滑模极值搜索模块和模糊参数整定模块，根据模糊参数整定模块的输出对滑模极值搜索模块的参数进行调整；所述滑模极值搜索模块包括比较单元、开关单元和两个积分器，所述模糊参数整定模块包括模糊控制器；将滑模极值搜索模块生成的风电系统最大功率Ps*作为参考值，并与风电系统的实际输出功率Ps通过比较单元相减输出功率跟踪误差e，根据功率跟踪误差e构造开关单元；所述开关单元包括三态开关函数和硬限幅开关函数，三态开关函数的输出z1经过积分生成的值作为搜索到的最大功率参考值Ps*，硬限幅开关函数的输出z2经过积分生成的值作为最大功率参考值Ps*所对应的最优速度参考值wr*；所述开关单元的参数由模糊控制器的输出整定，所述模糊控制器的输入为风电系统功率跟踪误差e和风速V。2、 如权利要求1所述基于FPGA的风电系统最大功率跟踪控制器，其特征在于，所述三态开关函数的表达式为0 郞> 0且-)b &...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘庭龙，纪志成，吴定会，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]