基于FLC的PMSM直接转矩控制在光伏水泵系统中的应用

夏循进解玉满

（1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074；2.国网湖南省电力公司，长沙 410007）

基于FLC的PMSM直接转矩控制在光伏水泵系统中的应用

夏循进1解玉满2

（1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074；2.国网湖南省电力公司，长沙 410007）

针对光伏水泵系统中较难跟踪多种工况下的最大功率点及永磁同步电机转矩脉动较大等不足，提出一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制系统。首先介绍光伏系统及永磁同步电机的结构及数学模型，其次提出直接转矩空间矢量控制及实现最大功率点跟踪的方法。最后以Matlab/Simulink软件为平台对提出的方法进行了建模与仿真。仿真结果表明，本方法能显著减小光伏水泵系统中永磁同步电机的转矩脉动和转速超调量，系统具有良好的动静态性能。

模糊逻辑控制；永磁同步电机；直接转矩控制；转矩脉动

根据国家能源局“十三五”规划纲要，我国每年将新增1500万kW到2000万kW的光伏发电，继续保持全球最强劲增长。凭借其清洁、节能、便于安装及仅需并网逆变器就能将电能送到电网等一系列优点，光伏（Photovoltaic,PV）系统在航空航天、通信系统、微波中继站、无电缺电地区用户供电及市政照明工程中具有潜在的研究和应用价值[1-2]。尤其在农网等局部电力供应不足的地区，为提供人畜及农作物正常供水，PV水泵系统已越来越显现出其广阔的应用前景。

PV发电的主要问题之一是其最大功率点（Maximum Power Point,MPP）取决于温度、太阳辐射及负载变化等多种不确定性因素条件[3]。因此，确保 PV系统运行在最大功率点及水泵电机高效运行对 PV水泵系统的进一步推广具有至关重要的意义。然而，确保电机高效运行的重要条件之一是确保 PV输出电压与水泵电机供电电压之间直流电能的高效转换。

为跟踪 PV系统最大功率点及减小水泵电机控制系统运行时的转矩脉动，本文提出一种实现对水泵用永磁同步电机人工智能控制的方法。首先，光伏输出电压连接到升压斩波器上，然后采用模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control,FLC）实现在多种气候条件和负载变化下对最大功率点的跟踪。引入永磁同步电机直接转矩控制系统，以实现水泵电机的高精度和快速的动态响应。其中，直接转矩控制技术被用于优化开关表以更可靠的空间电压矢量。最后，以Matlab/Simulink软件为平台对本文提出的方法进行了建模与仿真。仿真结果表明，采用本方法能显著降低 PV水泵系统电机的转速超调量和减小转矩脉动，系统具有良好的动静态性能。

1 系统结构

1.1 PV电池组件数学模型

PV板由串并联连接的多块单体电池构成。图1所示为PV单体电池的等效电路[4]。

图1 PV单体电池等效电路

光生电流等于流过负载的电流、反向饱和电流、流过内阻电流三者之和，标准的电池组件数学模型可表示为[5]

式中，n为P-N结理想因子，Vpv为PV板输出电压，Ipv为输出电流，q为电荷常数，Ns为串联的组件数目，Nsh为并联的组件数目，k为波兹曼常数，Rsh为单体电池单并联电阻，Rse为单体电池串联电阻，T为电池表面温度。

1.2 永磁同步电机数学模型

永磁同步电机（PMSM）在转子 d-q轴坐标系下的动态数学模型为[6]

式中，ud、uq、id、iq和Ld、Lq分别为定子电压、电流和电感的d、q轴分量；Rs为定子电阻；np为电机极对数；ψf为转子永磁体磁链；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；B为粘滞摩擦系数；J为转动惯量；ω为电机同步转速；θ 为转子瞬时角位置。

2 直接转矩空间矢量控制

在带有磁链控制闭环、转矩控制闭环及磁链与转矩控制闭环的直接转矩空间矢量控制中，根据电机需求实时计算参考电压矢量。由于微分算法对负载扰动极其敏感且不稳定，在反馈信号偏差计算中，可能导致较大的转矩和磁链脉动进而影响控制系统的总体性能。本文采用基于定子电压幅值和转差角频率的直接转矩空间矢量控制系统来改善系统的性能。图2为基于电压幅值和定子磁链角的PMSM直接转矩控制系统框图。如图2所示，DTC-SVM控制系统由用于转差角频率的PI调节器、转矩PI调节器、磁链PI调节器和笛卡尔极性变换模块组成。其中，笛卡尔极性变换模块用于计算电压幅值及电压在 d-q参考坐标系的采样时间。给定转速和实际转速之间的偏差经包含FLC的转速PI调节器后提供给定转矩。

图2 基于电压幅值和定子磁链角的DTC-SVM控制系统

3 最大功率点跟踪

实时跟踪 PV系统最大功率点对整个水泵系统的运行是至关重要的，而能否顺利实现最大功率点跟踪在很大程度上取决于绝缘等级和工作温度。PV水泵系统通常具有较强的鲁棒性、易于实现及无需实际模型的知识等优点，然而却需要 PV系统运行的完整知识经验。FLC的输入变量为偏差e及在采样时刻k处偏差的导数de，即

本文采用基于“If X and Y,Then Z”的模糊规则来实现FLC对最大功率点的跟踪及MEMDANI模糊推理方法来确定正极、负极和零序电压电流及阻抗的输出。去模糊化采用基于重力中心算法来计算在最优占空比中的 FLC的输出。模糊控制规则见表1。

表1 模糊控制规则

4 建模与仿真

为验证基于FLC的PMSM直接转矩控制系统的可行性，以Matlab/Simulink软件为平台进行建模与仿真。电机主要参数如下：极对数np为2，电机额定转速120rad/s，负载转矩为3Nm，仿真时间0.2s。电机以额定转速120rad/s起动，在0.1s时负载转矩从10Nm跃变到20Nm。图3和图4分别为转速和转矩响应曲线。从图3可以看出，电机起动时转速出现短暂的超调，但之后迅速达到额定转速120rad/s。在0.1s时转速从120rad/s跳变到−120rad/s，转速超调量小，系统运行平稳，且给定转速变化时能迅速实现新的稳态。从图4可以看出，采用FLC的控制算法的PMSM控制系统具有较小的转矩震荡。

图3 转速响应曲线

图4 转矩响应曲线

5 结论

为实现 PV水泵系统实时跟踪最大功率点及减小水泵电机运行时的转速超调量和转矩脉动，提出一种基于模糊逻辑控制的 PV水泵系统用永磁同步电机直接转矩控制系统。首先从 PV单体电池及永磁同步电机的结构和数学模型出发，引入直接转矩空间矢量控制技术，给出实现对最大功率实时跟踪的模糊逻辑控制的规则。最后，以Matlab/Simulink软件为平台对本文提出的方法进行了建模与仿真。仿真记过验证了本方法的性能及实现最大功率点跟踪和减小水泵电机转矩脉动的可行性与可靠性。对PV水泵系统在农网等缺电地区的推广具有一定的研究参考价值和良好的应用前景。

[1]李奋和,邹金慧.光伏直流系统在开关站的应用研究[J].电气技术,2009(8):97-99.

[2]汤代斌,郑诗程,洪乃刚.家庭太阳能光伏系统中前级直流变换器的研究与设计[J].电气技术,2007(11):20-23.

[3]陈广华,杨海柱.基于模糊控制的光伏系统MPPT[J].电气技术,2010(5):37-40.

[4]张敏,江博,杨磊,等.基于SVPWM的新型光伏并网逆变器的研究[J].电气技术,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.

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[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 电能质量事件的评估时间

且该系统配有UPS，可以不间断工作，对于供电系统失电瞬间的电能质量事件，也可以进行分析，为问题定位提供依据。

3 结论

文中提出的电能质量监控系统既适用于民用供电系统，也适用于楼宇、机场、企业等工业用电系统。基于网络的监控系统具备布线简单，灵活性高，成本低。由于采用低压直流供电，相对普通高压交流电供电而言，更安全。且系统采用供电与通信双组网功能，在网络覆盖越来越广泛，PoE供电技术越来越成熟的情况下，将电能质量设备设计为 PD设备，基于网络进行电能质量监控点布局，形成覆盖面更全的监测网。终端设备为热插拔设备，可灵活介入系统各个分支，系统应用网络对时协议进行对时，可实现各个监测点的数据采样基本同步。采样数据均传递给服务器进行计算和存储，对于评估时间较长的电能质量事件，可进行共性分析，从而发现故障根源。且这种监测系统能较好地发现微观电能质量现象，为局部电能质量治理提供更好的决策依据。

参考文献

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[2]叶华杰,李翠凤.基于 PoE的智能互联可视系统硬件设计[J].科技创新与应用,2014(26):29-29,30.

[3]肖湘宁主编.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社,2004.

[4]王小波,梁春苗.POE供电技术在救援系统中的应用[J].电子测试,2014(13):22-24.

[5]张韬.关于 PoE技术的分析与应用[J].通信电源技术,2015,32(1):59-61,63.

[6]王珊珊,周镒,曹珺飞,等.POE端口的电磁兼容测试[J].安全与电磁兼容,2010(3):15-17.

作者简介

李受明（1981-），男，江苏省南通市人，硕士，工程师，主要从事电能质量监控设备研发工作。

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

夏循进（1985-），男，助理工程师，国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，主要从事电力电气等方面研究工作。