基于改进的模糊逻辑控制算法对风能最大功率的跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于改进的模糊逻辑控制风能最大功率跟踪技术，属于风力发电 领域，提出了一种在变化风速下最大功率的参考速度跟踪的控制方法，在风能转换系统中 通过PS頂和Simulink协同仿真得到最大转换效率。
【背景技术】
[0002] 风能因其与其他常规能源相比成本较低，而成为在用于发电中最有前景的可再生 能源之一，如何在风力发电中获得最大功率是需要关注的问题。。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种控制风能最大功率的跟踪方法。
[0004] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于改进的模糊逻辑控制算 法对风能最大功率的跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0005] 步骤1、利用PSIM仿真风能转换系统的电源电路，同时利用Matlab/Simulink仿真 风能转换系统的整个控制系统，PS頂和Matlab/Simulink之间的互相联络；
[0006] 步骤2、通过改进的算法建立风力涡轮机模型和永磁同步发电机模型，其中，风力 涡轮机模型的建立包括如下步骤：
[0007] 由风力涡轮机产生的机械功率?"表示为
式中，P为空气密 度，A为转子叶片扫过的面积，u为风速，(^(λ，β)为风力涡轮的功率因素，其求解公式为：
[0008] ,
式中，β为叶片桨距角，
^为叶尖速比
：中，R为涡轮机叶片扫过区域的半径， 为风力涡轮机的转速，当u-定时，当达到时，为最优转速，风力涡轮机产生的 机械功率Pm达到最大值，ω对应最优叶尖速比λ。#，为了得到可变风速下的最大功率，控 制风力涡轮机的转速ω m等于最优转速ω _，使得风力涡轮机在最优叶尖速比\_处工作；
[0009] 永磁同步发电机模型的建立包括如下步骤：
[0010] 诵1寸1Λ(下由方親亦祐子的参考轴建模：
[0011]
[0012]
式中，Rs为电机定子相绕组电阻，电动角速度，i sd为直 轴电流，isq在转子的参考轴表;^为定子电流空间矢量的正交轴分量，hd和Asq分别是指在转 子的竖轴和横轴中的定子磁链：
[0013]:二广式中，^为永磁同步发电机的定子电感，如为永磁的磁通量，则永磁 W的 同步发电机的电机转矩Te表示为
式中，P是极对数，保持isd=o,则有
L〇〇M」步骤3、对友电机侧变流器和电网侧变流器的控制，其中，发电机侧控制器通过控 制电磁转矩来控制发电机转速产生最大输出功率，同时控制电网侧变流器的功率流使直流 电压保持在参考值。
[0015] 优选地，在所述步骤1中，在所述PSIM中，风能转换系统的模拟通过双向的双脉宽 调制变流器PWM以背靠背的方式使风力涡轮机与公用电网相连。
[0016] 优选地，在所述步骤1中，在所述Mat lab/Simul ink中，整个系统的控制包含有发电 机侧控制器和电网侧控制器。
[0017] 本发明提出了一种改进的模糊逻辑控制算法，由于风速一定的情况下，当转速达 到最优时，功率最大，同时该速度对应于最优叶尖速比。因此，在风速可变时，为得到最大功 率，涡轮机应一直在最优叶尖速比状态下运行。通过改进的模糊逻辑控制算法控制风轮机 的转速等于最优转速就能实现风力发电最大功率跟踪。
【具体实施方式】
[0018] 为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并作详细说明如下。
[0019] 本发明提供了一种基于改进的模糊逻辑控制算法对风能最大功率的跟踪方法，包 括以下步骤：
[0020] 步骤1、利用PSIM仿真风能转换系统的电源电路，同时利用Matlab/Simulink仿真 风能转换系统的整个控制系统，PS頂和Matlab/Simulink之间的互相联络。
[0021]在PSIM中，风能转换系统的模拟通过双向的双脉宽调制变流器PWM以背靠背的方 式使风力涡轮机与公用电网相连。
[0022]在Matlab/Simulink中，整个系统的控制包含有发电机侧控制器和电网侧控制器。 [0023]步骤2、通过改进的算法建立风力涡轮机模型和永磁同步发电机模型，其中，风力 涡轮机模型的建立包括如下步骤：
[0024] 由风力涡轮机产生的机械功率?"表示为
式中，P为空气密度 (通常为1.225kg/m3)，A为转子叶片扫过的面积(平方米），u为风速；(λ，β)为风力涡轮的 功率因素，其求解公式为：
[0025] ,
式中，β为叶片桨距角，
为叶尖速比：
文中，R为涡轮机叶片扫过区域的半径，c〇m 为风力涡轮机的转速，当u-定时，当达到时，为最优转速，风力涡轮机产生的 机械功率Pm达到最大值，ω对应最优叶尖速比λ。#，为了得到可变风速下的最大功率，控 制风力涡轮机的转速ω m等于最优转速ω _，使得风力涡轮机在最优叶尖速比\_处工作；
[0026] 永磁同步发电机模型的建立包括如下步骤：
[0027] 通过以下电压方程在转子的参考轴建模：
[0028]
[0029]
i，Rs为电机定子相绕组电阻，电动角速度，i sd为直 轴电流，isq在转子的参考轴表不为定子电流空间矢量的正交轴分量，XSC^PIAS(1分别是指在转 子的竖轴和横轴中的定子磁链：
[0030]
，式中，Ls为永磁同步发电机的定子电感，加为永磁的磁通量，则永 磁同步发电机的电机转矩I表示为
式中，P是极对数，保持isd = o,则 有
[0031] 步骤3、对发电机侧变流器和电网侧变流器的控制，其中，发电机侧控制器通过控 制电磁转矩来控制发电机转速产生最大输出功率，同时控制电网侧变流器的功率流使直流 电压保持在参考值。
[0032]本发明专利提出了一种改进的最大功率点跟踪控制算法，发电机侧控制器使用该 算法通过控制涡轮机转速进而跟踪最大功率。永磁同步发电机使用该算法通过间接矢量磁 场定向控制技术得到速度参考值。
[0033]模糊控制算法不需要系统的任何详细的数学模型，它的操作只是由一组规则简单 地约束。模糊控制算法的原则是改变参考角速度并观察功率的相应变化，如果输出功率在 上一个速度增量上增加了，那么搜索过程继续朝着同一个方向。另一方面，如果速度增量使 输出功率降低，那么搜索方向相反。改进后的模糊控制算法可以有效跟踪最大功率点，尤其 是在风能状态频繁变化的情况下。
[0034] 首先，最优转速ω QDt和风速u之间的关系如下：
[0035]
[0036] 从等式中看出，c〇QpjPu之间是线性关系，可以得到在可变风速下最大功率点的转 速参考值。改进的模糊逻辑控制算法可以使发电机的转速不断适应风速的变化，从而涡轮 机在最佳效率下工作。该算法操作简单，适应性强，响应速度快，工作范围广，通用与不同类 型的涡轮机，而且参数扰动变化小，即使输入信号不准确涡轮机仍然能正常工作。此外，改 进后的算法在跟踪最大功率点时能得到更好更有效的相应结果，尤其是在风速频繁变化的 情况下。
【主权项】
1. 一种基于改进的模糊逻辑控制算法对风能最大功率的跟踪方法，其特征在于，包括 W下步骤： 步骤1、利用PSIM仿真风能转换系统的电源电路，同时利用Matlab/Simulink仿真风能 转换系统的整个控制系统，PSIM和Matlab/Simulink之间的互相联络； 步骤2、通过改进的算法建立风力满轮机模型和永磁同步发电机模型，其中，风力满轮 机模型的建立包括如下步骤： 由风力满轮机产生的机械功率Pm表示为：，式中，P为空气密度，A为 转子叶片扫过的面积，U为风速，Cp(A，e)为风力满轮的功率因素，其求解公式为：式中，P为叶片奖距角， / ，R为满轮机叶片扫过区域的半径， Um为风力满轮机的转速，当U-定时，当Om达到《 DPt时，《 DPt为最优转速，风力满轮机产生 的机械功率Pm达到最大值，《 DPt对应最优叶尖速比Aopt,为了得到可变风速下的最大功率， 控制风力满轮机的转速《。等于最优转速《 DPt，使得风力满轮机在最优叶尖速比Aopt处工 作； 永磁同步发电机模型的建立包括如下步骤： 通过W下电压方程在转子的参考轴建模：式中，Rs为电机定子相绕组电阻，COr为电动角速度，isd为直轴 电流，isq在转子的参考轴表示为定子电流空间矢量的正交轴分量，、d和Asq分别是指在转子 的竖轴和横轴中的定子磁链： ,式中，Ls为永磁同步发电机的定子电感，如为永磁的磁通量，则永磁同步 Asq ^ 巧 发电机的电机转矩Te表示为式中，P是极对数，保持isd = 〇,则有步骤3、对发电机侧变流器和电网侧变流器的控制，其中，发电机侧控制器通过控制电 磁转矩来控制发电机转速产生最大输出功率，同时控制电网侧变流器的功率流使直流电压 保持在参考值。2. 如权利要求1所述的一种基于改进的模糊逻辑控制算法对风能最大功率的跟踪方 法，其特征在于，在所述步骤1中，在所述PSIM中，风能转换系统的模拟通过双向的双脉宽调 制变流器PWMW背靠背的方式使风力满轮机与公用电网相连。3.如权利要求1所述的一种基于改进的模糊逻辑控制算法对风能最大功率的跟踪方 法，其特征在于，在所述步骤1中，在所述MatlaVSimul ink中，整个系统的控制包含有发电 机侧控制器和电网侧控制器。
【专利摘要】本发明提供了一种基于改进的模糊逻辑控制算法对风能最大功率的跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、利用PSIM仿真风能转换系统的电源电路，同时利用Matlab/Simulink仿真风能转换系统的整个控制系统，PSIM和Matlab/Simulink之间的互相联络；步骤2、通过改进的算法建立风力涡轮机模型和永磁同步发电机模型；步骤3、对发电机侧变流器和电网侧变流器的控制，其中，发电机侧控制器通过控制电磁转矩来控制发电机转速产生最大输出功率，同时控制电网侧变流器的功率流使直流电压保持在参考值。通过改进的模糊逻辑控制算法控制风轮机的转速等于最优转速就能实现风力发电最大功率跟踪。
【IPC分类】H02J3/38
【公开号】CN105515038
【申请号】CN201510683787
【发明人】罗艺娜, 朱凌云
【申请人】东华大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年10月20日