專利名稱：一種基于fpga的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制器，尤其是一種基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤 控制器。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是一種清潔、分布廣泛、發(fā)展最快的可再生能源，也是具有大規(guī)模開 發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。但是，風(fēng)能也是一種具有隨機性、爆發(fā)性、 不穩(wěn)定性特征的能源，為了提高風(fēng)能的利用率，需要根據(jù)風(fēng)速的變化控制風(fēng)機 的運行以捕獲最大功率。
目前，常規(guī)的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制方法主要有葉尖速比(Tip Speed Ratio-TSR)控制、功率信號反饋(Power Signal Feedback-PSF)控制、爬山法(Hill Climb Searching-HCS)等。TSR控制需要實時精確地測量風(fēng)速，由于風(fēng)速的隨機 性及可變性使得其在實際控制中的精確測量較為困難。PSF控制利用風(fēng)機特性 和雙饋電機功率流特性實現(xiàn)定子有功功率控制，從而實現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)； 該方法不需要測量風(fēng)速，但風(fēng)機的特性需要經(jīng)過大量實驗測試獲得。HCS通過實 時測量風(fēng)機轉(zhuǎn)速和輸出功率，利用數(shù)學(xué)尋優(yōu)方法跟蹤最大輸出功率，該方法避 免了測量風(fēng)速，但需要實時測量、計算輸出功率和轉(zhuǎn)速的微分，微分環(huán)節(jié)會使 噪聲放大、高頻不穩(wěn)定，限制了其動態(tài)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于FPGA (可編程 邏輯門陣列)的風(fēng)電系統(tǒng)模糊滑模極值搜索最大功率跟蹤控制器，為實現(xiàn)風(fēng)電 系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲提供最優(yōu)轉(zhuǎn)速參考值。
按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控 制器包括滑模極值搜索模塊和模糊參數(shù)整定模塊，根據(jù)模糊參數(shù)整定模塊的輸 出對滑模極值搜索模塊的參數(shù)進行調(diào)整；所述滑模極值搜索模塊包括比較單元、 開關(guān)單元和2個積分器，所述模糊參數(shù)整定模塊包括模糊控制器；
將滑模極值搜索模塊生成的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率《作為參考值，并與風(fēng)電系 統(tǒng)的實際輸出功率A通過比較單元相減輸出功率跟蹤誤差e ，根據(jù)功率跟蹤誤 差e構(gòu)造開關(guān)單元；
所述開關(guān)單元包括三態(tài)開關(guān)函數(shù)和硬限幅開關(guān)函數(shù)，三態(tài)開關(guān)函數(shù)的輸出 ^經(jīng)過積分生成的值作為搜索到的最大功率參考值《，硬限幅開關(guān)函數(shù)的輸出
a經(jīng)過積分生成的值作為最大功率參考值iV所對應(yīng)的最優(yōu)速度參考值w:;
所述開關(guān)單元的參數(shù)由模糊控制器的輸出整定，所述模糊控制器的輸入為 風(fēng)電系統(tǒng)功率跟蹤誤差e和風(fēng)速F。
所述三態(tài)開關(guān)函數(shù)的表達式為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為所述三態(tài)開關(guān)函數(shù)Zl(e)的輸入比例系數(shù)，h為所述三態(tài)開關(guān)函數(shù)
zi(e)的幅值，h、"為所述三態(tài)開關(guān)函數(shù)zi(e)的兩個閾值，A:i、 A:2、 h、 h 都為正值。
所述硬限幅開關(guān)函數(shù)的表達式為z々卜卜"，"0
I->b 若"O
^為所述硬限幅開關(guān)函數(shù)Z2(e)的幅值，為正值。
所述滑模極值搜索模塊、模糊參數(shù)整定模塊在一片F(xiàn)PGA芯片上實現(xiàn)，F(xiàn)PGA 芯片的輸入為風(fēng)電控制系統(tǒng)輸出功率A和風(fēng)速K對應(yīng)的數(shù)字量信號，輸出為最 優(yōu)速度參考值^對應(yīng)的數(shù)字量信號。
本發(fā)明的優(yōu)點是釆用滑模極值搜索控制實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤，滑 模極值搜索控制的參數(shù)由模糊控制的輸出動態(tài)整定，采用FPGA對所述滑模極 值搜索模塊、模糊參數(shù)整定模塊進行了硬件實現(xiàn)；不需獲取風(fēng)機的數(shù)學(xué)模型和 參數(shù)，風(fēng)速測量精度要求不高，避免了微分環(huán)節(jié)，跟蹤精度和穩(wěn)定性高，且體 積小、設(shè)計靈活、控制器的響應(yīng)速度快。


圖1是基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制器結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是滑模極值搜索模塊中開關(guān)單元原理圖； 圖3是模糊參數(shù)整定模塊輸入輸出連接示意圖； 圖4是本發(fā)明嵌入到并網(wǎng)型雙饋風(fēng)電系統(tǒng)中的使用狀態(tài)圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1所示本發(fā)明包括滑模極值搜索模塊和模糊參數(shù)整定模塊，根據(jù)模 糊參數(shù)整定模塊的輸出對滑模極值搜索模塊的參數(shù)進行調(diào)整；所述滑模極值搜 索模塊包括比較單元、開關(guān)單元和兩個積分器，所述模糊參數(shù)整定模塊包括模 糊控制器。
所述比較單元將滑模極值搜索模塊生成的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率參考值《與風(fēng) 電系統(tǒng)的實際輸出功率^相減，得到功率跟蹤誤差e。所述開關(guān)單元由三態(tài)開
關(guān)函數(shù)ri(e)和硬限幅開關(guān)函數(shù)Z2(e)構(gòu)成，如圖2所示；所述三態(tài)開關(guān)函數(shù)ri(e)
的表達式為
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 > +眾4)或(6 < O且h e > +h)所述硬限幅開關(guān)函數(shù)。(e)的表達式為z2(e)=t"5 —"，
[~ A:5 若e < 0
h、 h、 h、 h、 h都為正值，h為所述三態(tài)開關(guān)函數(shù)zi(e)的輸入比 例系數(shù)，h為所述三態(tài)開關(guān)函數(shù)zi(e)的幅值，h、 h為所述三態(tài)開關(guān)函數(shù)。(e) 的兩個閾值，h為所述硬限幅開關(guān)函數(shù)Z2(e)的幅值。所述三態(tài)開關(guān)函數(shù)Zi(e)的 輸出。經(jīng)過積分生成的值作為搜索到的最大功率參考值《，所述硬限幅開關(guān)函 數(shù)Z2(e)的輸出經(jīng)過積分生成的值作為最優(yōu)速度參考值V^'，與獲得的最大功 率《相對應(yīng)，即在最優(yōu)速度參考值w:下風(fēng)電系統(tǒng)將輸出最大功率值《。所述滑 模極值搜索模塊不需要測量計算風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率的微分及風(fēng)速信號。
所述滑模極值搜索模塊中的開關(guān)單元有五個參數(shù)h、 h、 h、"、"， 需要根據(jù)不同的風(fēng)速范圍以及跟蹤誤差進行整定，以提高搜索的精度和快速性。 本發(fā)明采用模糊控制實現(xiàn)這一功能，即模糊參數(shù)整定模塊。如圖3所示，所述模 糊參數(shù)整定模塊的輸入為功率跟蹤誤差e和風(fēng)速信號F，輸出為所述滑模極值搜
索模塊中開關(guān)單元的五個參數(shù)h、 &、 h、 h、 h;所述風(fēng)速信號m測量
精度的要求不高。
將所述滑模極值搜索模塊、模糊參數(shù)整定模塊在一片F(xiàn)PGA芯片 EP1C6T144C8上實現(xiàn)。所述FPGA的輸入為風(fēng)電控制系統(tǒng)輸出功率P,和風(fēng)速F
對應(yīng)的數(shù)字量信號，輸出為最優(yōu)速度參考值^:對應(yīng)的數(shù)字量信號。
將本發(fā)明嵌入到并網(wǎng)型雙饋風(fēng)電系統(tǒng)中，如圖4所示。
風(fēng)機、齒輪箱、雙饋電機，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器、網(wǎng)側(cè)變換器、電容、變壓器及 電網(wǎng)構(gòu)成并網(wǎng)型雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的本體模塊；并網(wǎng)型雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的控制器由TI 的F2812DSP實現(xiàn)，主要完成網(wǎng)側(cè)變換器及轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的矢量控制、PWM觸 發(fā)信號調(diào)制、風(fēng)電系統(tǒng)實際輸出的有功功率和無功功率測量計算功能。
隔離驅(qū)動電路對來自于DSP的PWM信號進行隔離放大后驅(qū)動網(wǎng)側(cè)變換器 和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器；雙饋電機定子側(cè)輸出的電壓、電流信號經(jīng)過處理電路后生成 電壓電流的過零信號以及適合于F2812DSP的A/D輸入范圍的測量信號，并分 別連接到F2812 DSP的捕獲單元CAP1-2和A/D轉(zhuǎn)換單元，以供DSP進行有功 功率和無功功率的測量計算；并將有功功率以數(shù)字量的形式，通過F2812DSP 的數(shù)字量輸出口 (DO)傳送給基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)模糊滑模極值搜索最大功 率跟蹤控制器，作為風(fēng)電系統(tǒng)實際輸出功率^信號。
安裝在風(fēng)機上的測風(fēng)儀輸出信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后輸出風(fēng)速的數(shù)字量信 號，傳遞給基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)模糊滑模極值搜索最大功率控制器，作為風(fēng)
i于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)模糊滑模極值搜索最大功率跟蹤控制器的輸出為最 優(yōu)速度參考值^， w:信號為數(shù)字量，與F2812DSP的數(shù)字量輸入口 (DI)相連， 作為雙饋電機速度閉環(huán)控制的參考值；安裝在雙饋電機轉(zhuǎn)軸上的編碼器的輸出 連接到F2812DSP的正交脈沖編碼單元QEP3-4，供F2812DSP測量計算雙饋電機的實際轉(zhuǎn)速；雙饋電機在最優(yōu)速度參考值w:的作用下實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。
當(dāng)風(fēng)機所處的風(fēng)場的風(fēng)速發(fā)生變化時，若雙饋電機仍然在當(dāng)前w:下運行，
根據(jù)風(fēng)機的特性，風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率將發(fā)生變化，導(dǎo)致跟蹤誤差e發(fā)生變化， e的變化導(dǎo)致開關(guān)單元的切換動作，使系統(tǒng)切出滑模面；在極值搜索模塊的作用 下，系統(tǒng)運動到新的平衡點附近再次切入滑模面，產(chǎn)生新的最大功率參考值《以
及最優(yōu)速度參考值w:;雙饋電機在新的最優(yōu)速度參考值w:的作用下進行速度閉 環(huán)控制，使風(fēng)機運行在最大風(fēng)能捕獲狀態(tài)，實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制。
本發(fā)明具有以下特點
1、 所述基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)模糊滑模極值搜索最大功率跟蹤控制器利用 FPGA處理速度快、資源豐富的優(yōu)勢，采用流水方式的并行處理模式實現(xiàn)滑模極 值搜索功能、模糊參數(shù)整定功能。提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，實現(xiàn)的控制器體積 小，設(shè)計靈活，很容易嵌入到風(fēng)電控制系統(tǒng)中。
2、 所述基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)模糊滑模極值搜索最大功率跟蹤控制器的輸 入?yún)?shù)僅為發(fā)電機的功率輸出信號和風(fēng)速信號，需要特別注意的是，對風(fēng)速信 號精度要求不高，避免了高精度風(fēng)速測量的困難；同時避免了常規(guī)控制方法中 需要獲取風(fēng)機模型及參數(shù)、計算功率及速度的微分，提高了控制器的穩(wěn)定性。
3、 所述基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)模糊滑模極值搜索最大功率跟蹤控制器能夠 根據(jù)風(fēng)速范圍及功率跟蹤誤差信號整定滑模極值搜索模塊中開關(guān)單元的參數(shù)， 避免了不同的風(fēng)速區(qū)域?qū)O值搜索控制效果的影響，提高了控制器跟蹤精 度。
權(quán)利要求
1、一種基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制器，其特征是包括滑模極值搜索模塊和模糊參數(shù)整定模塊，根據(jù)模糊參數(shù)整定模塊的輸出對滑模極值搜索模塊的參數(shù)進行調(diào)整；所述滑模極值搜索模塊包括比較單元、開關(guān)單元和兩個積分器，所述模糊參數(shù)整定模塊包括模糊控制器；將滑模極值搜索模塊生成的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率Ps*作為參考值，并與風(fēng)電系統(tǒng)的實際輸出功率Ps通過比較單元相減輸出功率跟蹤誤差e，根據(jù)功率跟蹤誤差e構(gòu)造開關(guān)單元；所述開關(guān)單元包括三態(tài)開關(guān)函數(shù)和硬限幅開關(guān)函數(shù)，三態(tài)開關(guān)函數(shù)的輸出z1經(jīng)過積分生成的值作為搜索到的最大功率參考值Ps*，硬限幅開關(guān)函數(shù)的輸出z2經(jīng)過積分生成的值作為最大功率參考值Ps*所對應(yīng)的最優(yōu)速度參考值wr*；所述開關(guān)單元的參數(shù)由模糊控制器的輸出整定，所述模糊控制器的輸入為風(fēng)電系統(tǒng)功率跟蹤誤差e和風(fēng)速V。
2、 如權(quán)利要求1所述基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制器，其特征在于，所述三態(tài)開關(guān)函數(shù)的表達式為0 郞> 0且-)b < A:i. e < +^)或^ < 0且-h < /b ■ e < +/b) =. + h 若(Ai. e < -h)或(g > 0且&i e < -&3)h為所述三態(tài)開關(guān)函數(shù)的輸入比例系數(shù)，h為所述三態(tài)開關(guān)函數(shù) zi(e)的幅值，h、 h為所述三態(tài)開關(guān)函數(shù)zi(e)的兩個閾值，h、 h、 h、 h 都為正值。
3、 如權(quán)利要求1所述基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制器，其特征在于，所述硬限幅開關(guān)函數(shù)的表達式為z2(e) = [^5 ，^卜&5 若e < 0"為所述硬限幅開關(guān)函數(shù)Z2(。的幅值，為正值。
4、 如權(quán)利要求1所述基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制器，其特征 是所述滑模極值搜索模塊、模糊參數(shù)整定模塊在一片F(xiàn)PGA芯片上實現(xiàn)，F(xiàn)PGA 芯片的輸入為風(fēng)電控制系統(tǒng)輸出功率《和風(fēng)速F對應(yīng)的數(shù)字量信號，輸出為最 優(yōu)速度參考 < 對應(yīng)的數(shù)字量信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于FPGA的風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制器，包括滑模極值搜索模塊和模糊參數(shù)整定模塊，根據(jù)模糊參數(shù)整定模塊的輸出對滑模極值搜索模塊的參數(shù)進行調(diào)整；所述滑模極值搜索模塊包括比較單元、開關(guān)單元和2個積分器，所述模糊參數(shù)整定模塊包括模糊控制器，模糊控制器的輸入為風(fēng)電系統(tǒng)功率跟蹤誤差和風(fēng)速。其優(yōu)點是將風(fēng)電系統(tǒng)模糊滑模極值搜索最大功率跟蹤控制器在一片F(xiàn)PGA上實現(xiàn)，體積小，設(shè)計靈活，控制器響應(yīng)速度快；不需要知道風(fēng)機的參數(shù)、不需精確測量風(fēng)速及計算風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率的微分，跟蹤精度、穩(wěn)定性高。
文檔編號F03D7/00GK101639038SQ20091018467
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月14日
發(fā)明者吳定會, 潘庭龍, 紀志成 申請人:江南大學(xué)