[发明专利]一种基于FPGA的风电系统最大功率跟踪控制器

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制器，尤其是一种基于FPGA的风电系统最大功率跟踪控制器。

背景技术

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 SpeedRatio-TSR)控制、功率信号反馈(Power Signal Feedback-PSF)控制、爬山法(HillClimb 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。

发明内容

本发明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。

按照本发明提供的技术方案，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z₁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z₂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。

所述三态开关函数的表达式为：

k₁为所述三态开关函数z₁(e)的输入比例系数，k₂为所述三态开关函数z₁(e)的幅值，k₃、k₄为所述三态开关函数z₁(e)的两个阈值，k₁、k₂、k₃、k₄都为正值。

所述硬限幅开关函数的表达式为：

k₅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P_s和风速V对应的数字量信号，输出为最优速度参考值w_r^*对应的数字量信号。

本发明的优点是：采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是本发明嵌入到并网型双馈风电系统中的使用状态图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。