基于FLC的PMSM直接轉矩控制在光伏水泵系統中的應用

夏循進解玉滿

（1.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074；2.國網湖南省電力公司，長沙 410007）

基于FLC的PMSM直接轉矩控制在光伏水泵系統中的應用

夏循進1解玉滿2

（1.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074；2.國網湖南省電力公司，長沙 410007）

針對光伏水泵系統中較難跟蹤多種工況下的最大功率點及永磁同步電機轉矩脈動較大等不足，提出一種基于模糊邏輯的永磁同步電機直接轉矩控制系統。首先介紹光伏系統及永磁同步電機的結構及數學模型，其次提出直接轉矩空間矢量控制及實現最大功率點跟蹤的方法。最后以Matlab/Simulink軟件為平臺對提出的方法進行了建模與仿真。仿真結果表明，本方法能顯著減小光伏水泵系統中永磁同步電機的轉矩脈動和轉速超調量，系統具有良好的動靜態性能。

模糊邏輯控制；永磁同步電機；直接轉矩控制；轉矩脈動

根據國家能源局“十三五”規劃綱要，我國每年將新增1500萬kW到2000萬kW的光伏發電，繼續保持全球最強勁增長。憑借其清潔、節能、便于安裝及僅需并網逆變器就能將電能送到電網等一系列優點，光伏（Photovoltaic,PV）系統在航空航天、通信系統、微波中繼站、無電缺電地區用戶供電及市政照明工程中具有潛在的研究和應用價值[1-2]。尤其在農網等局部電力供應不足的地區，為提供人畜及農作物正常供水，PV水泵系統已越來越顯現出其廣闊的應用前景。

PV發電的主要問題之一是其最大功率點（Maximum Power Point,MPP）取決于溫度、太陽輻射及負載變化等多種不確定性因素條件[3]。因此，確保 PV系統運行在最大功率點及水泵電機高效運行對 PV水泵系統的進一步推廣具有至關重要的意義。然而，確保電機高效運行的重要條件之一是確保 PV輸出電壓與水泵電機供電電壓之間直流電能的高效轉換。

為跟蹤 PV系統最大功率點及減小水泵電機控制系統運行時的轉矩脈動，本文提出一種實現對水泵用永磁同步電機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）實現在多種氣候條件和負載變化下對最大功率點的跟蹤。引入永磁同步電機直接轉矩控制系統，以實現水泵電機的高精度和快速的動態響應。其中，直接轉矩控制技術被用于優化開關表以更可靠的空間電壓矢量。最后，以Matlab/Simulink軟件為平臺對本文提出的方法進行了建模與仿真。仿真結果表明，采用本方法能顯著降低 PV水泵系統電機的轉速超調量和減小轉矩脈動，系統具有良好的動靜態性能。

1 系統結構

1.1 PV電池組件數學模型

PV板由串并聯連接的多塊單體電池構成。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

光生電流等于流過負載的電流、反向飽和電流、流過內阻電流三者之和，標準的電池組件數學模型可表示為[5]

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

1.2 永磁同步電機數學模型

永磁同步電機（PMSM）在轉子 d-q軸坐標系下的動態數學模型為[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為電機極對數；ψf為轉子永磁體磁鏈；Te為電磁轉矩；TL為負載轉矩；B為粘滯摩擦系數；J為轉動慣量；ω為電機同步轉速；θ 為轉子瞬時角位置。

2 直接轉矩空間矢量控制

在帶有磁鏈控制閉環、轉矩控制閉環及磁鏈與轉矩控制閉環的直接轉矩空間矢量控制中，根據電機需求實時計算參考電壓矢量。由于微分算法對負載擾動極其敏感且不穩定，在反饋信號偏差計算中，可能導致較大的轉矩和磁鏈脈動進而影響控制系統的總體性能。本文采用基于定子電壓幅值和轉差角頻率的直接轉矩空間矢量控制系統來改善系統的性能。圖2為基于電壓幅值和定子磁鏈角的PMSM直接轉矩控制系統框圖。如圖2所示，DTC-SVM控制系統由用于轉差角頻率的PI調節器、轉矩PI調節器、磁鏈PI調節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算電壓幅值及電壓在 d-q參考坐標系的采樣時間。給定轉速和實際轉速之間的偏差經包含FLC的轉速PI調節器后提供給定轉矩。

圖2 基于電壓幅值和定子磁鏈角的DTC-SVM控制系統

3 最大功率點跟蹤

實時跟蹤 PV系統最大功率點對整個水泵系統的運行是至關重要的，而能否順利實現最大功率點跟蹤在很大程度上取決于絕緣等級和工作溫度。PV水泵系統通常具有較強的魯棒性、易于實現及無需實際模型的知識等優點，然而卻需要 PV系統運行的完整知識經驗。FLC的輸入變量為偏差e及在采樣時刻k處偏差的導數de，即

本文采用基于“If X and Y,Then Z”的模糊規則來實現FLC對最大功率點的跟蹤及MEMDANI模糊推理方法來確定正極、負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計算在最優占空比中的 FLC的輸出。模糊控制規則見表1。

表1 模糊控制規則

4 建模與仿真

為驗證基于FLC的PMSM直接轉矩控制系統的可行性，以Matlab/Simulink軟件為平臺進行建模與仿真。電機主要參數如下：極對數np為2，電機額定轉速120rad/s，負載轉矩為3Nm，仿真時間0.2s。電機以額定轉速120rad/s起動，在0.1s時負載轉矩從10Nm躍變到20Nm。圖3和圖4分別為轉速和轉矩響應曲線。從圖3可以看出，電機起動時轉速出現短暫的超調，但之后迅速達到額定轉速120rad/s。在0.1s時轉速從120rad/s跳變到?120rad/s，轉速超調量小，系統運行平穩，且給定轉速變化時能迅速實現新的穩態。從圖4可以看出，采用FLC的控制算法的PMSM控制系統具有較小的轉矩震蕩。

圖3 轉速響應曲線

圖4 轉矩響應曲線

5 結論

為實現 PV水泵系統實時跟蹤最大功率點及減小水泵電機運行時的轉速超調量和轉矩脈動，提出一種基于模糊邏輯控制的 PV水泵系統用永磁同步電機直接轉矩控制系統。首先從 PV單體電池及永磁同步電機的結構和數學模型出發，引入直接轉矩空間矢量控制技術，給出實現對最大功率實時跟蹤的模糊邏輯控制的規則。最后，以Matlab/Simulink軟件為平臺對本文提出的方法進行了建模與仿真。仿真記過驗證了本方法的性能及實現最大功率點跟蹤和減小水泵電機轉矩脈動的可行性與可靠性。對PV水泵系統在農網等缺電地區的推廣具有一定的研究參考價值和良好的應用前景。

[1]李奮和,鄒金慧.光伏直流系統在開關站的應用研究[J].電氣技術,2009(8):97-99.

[2]湯代斌,鄭詩程,洪乃剛.家庭太陽能光伏系統中前級直流變換器的研究與設計[J].電氣技術,2007(11):20-23.

[3]陳廣華,楊海柱.基于模糊控制的光伏系統MPPT[J].電氣技術,2010(5):37-40.

[4]張敏,江博,楊磊,等.基于SVPWM的新型光伏并網逆變器的研究[J].電氣技術,2010(9):36-39.

[5]Ben Salah C,Ouali M.Comparison of fuzzy logic and neural network in maximum power point tracker for PV systems[J].Electric Power Systems Research,2011,81(1):43-50.

[6]Yu J P,Ma Y M,Bing Ch,et al.Adaptive fuzzy tracking control for a permanent magnet synchronous motor via back stepping approach[J].Mathematical Problems in Engineering,2010,17(4):242-256.

[7]Chen Wei,Xia Changliang.Sensorless control ofbrushless DC motor based on fuzzy logic[C]//WCICA 2006:Sixth World Congress on Intelligent Control and Automation,Vols 1-12,Conference Proceedings.Dalian,China,2006:6298-6302.

表2 電能質量事件的評估時間

且該系統配有UPS，可以不間斷工作，對于供電系統失電瞬間的電能質量事件，也可以進行分析，為問題定位提供依據。

3 結論

文中提出的電能質量監控系統既適用于民用供電系統，也適用于樓宇、機場、企業等工業用電系統?；诰W絡的監控系統具備布線簡單，靈活性高，成本低。由于采用低壓直流供電，相對普通高壓交流電供電而言，更安全。且系統采用供電與通信雙組網功能，在網絡覆蓋越來越廣泛，PoE供電技術越來越成熟的情況下，將電能質量設備設計為 PD設備，基于網絡進行電能質量監控點布局，形成覆蓋面更全的監測網。終端設備為熱插拔設備，可靈活介入系統各個分支，系統應用網絡對時協議進行對時，可實現各個監測點的數據采樣基本同步。采樣數據均傳遞給服務器進行計算和存儲，對于評估時間較長的電能質量事件，可進行共性分析，從而發現故障根源。且這種監測系統能較好地發現微觀電能質量現象，為局部電能質量治理提供更好的決策依據。

參考文獻

[1]張曉東.POE供電技術在電視監控系統中的應用[J].信息系統工程,2012(8):38-39.

[2]葉華杰,李翠鳳.基于 PoE的智能互聯可視系統硬件設計[J].科技創新與應用,2014(26):29-29,30.

[3]肖湘寧主編.電能質量分析與控制[M].北京:中國電力出版社,2004.

[4]王小波,梁春苗.POE供電技術在救援系統中的應用[J].電子測試,2014(13):22-24.

[5]張韜.關于 PoE技術的分析與應用[J].通信電源技術,2015,32(1):59-61,63.

[6]王珊珊,周鎰,曹珺飛,等.POE端口的電磁兼容測試[J].安全與電磁兼容,2010(3):15-17.

作者簡介

李受明（1981-），男，江蘇省南通市人，碩士，工程師，主要從事電能質量監控設備研發工作。

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（1985-），男，助理工程師，國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，主要從事電力電氣等方面研究工作。