樊 茂，劉惠康

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081）

隨著傳統(tǒng)能源日趨枯竭，環(huán)境污染問題不斷惡化，新能源的開發(fā)迫在眉睫，利用清潔可再生能源日益受到各界廣泛關(guān)注。而波浪能已成為繼太陽能、風(fēng)能之后的又一倍受青睞的新型可再生能源。相比風(fēng)能與太陽能技術(shù)，海浪發(fā)電技術(shù)[1]要落后幾十年，我國擁有廣闊的海岸線，海洋資源蘊藏豐富，最近幾年中海浪發(fā)電被廣泛研究，特別是應(yīng)用于海島上，解決了孤島上供電供水的問題。由于海浪發(fā)電系統(tǒng)大部分都用于孤島，負(fù)載都為民用電，所以因家用電器損壞而引起的輸出電壓某一相對地短路的情況時常發(fā)生，由于系統(tǒng)采用功率跟蹤控制[2]，這樣會影響到直流母線電壓的恒定，從而對輸出電壓質(zhì)量造成影響。在傳統(tǒng)的海浪發(fā)電控制系統(tǒng)中遇到這種負(fù)載強擾情況時，系統(tǒng)無法快速響應(yīng)來保證母線電壓穩(wěn)定，從而保證三相輸出電壓的平滑對稱。

本文結(jié)合海浪發(fā)電控制系統(tǒng)的特點，提出了基于模糊PID的控制策略。在負(fù)載發(fā)生強擾時，能夠及時地對PID參數(shù)進(jìn)行整定，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時間和穩(wěn)態(tài)精度，保證了輸出電壓的穩(wěn)定。本文通過對傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制系統(tǒng)的仿真波形比較，確定模糊PID控制能有效抑制母線電壓突變，提高電壓質(zhì)量，應(yīng)用在海浪發(fā)電系統(tǒng)上是可行、有效的。

1 海浪發(fā)電系統(tǒng)

海浪發(fā)電技術(shù)隨著近幾年的不斷研究，已在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。隨著海浪發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，為海島上民用電提供電源，為海水淡化系統(tǒng)提供電能已成為可能。海浪發(fā)電裝置有很多種，本文介紹的海浪發(fā)電系統(tǒng)是由波浪共振器[3-4]、液壓傳動、電機、逆變器、電網(wǎng)所組成。波浪共振器能發(fā)出各種頻率的波，這些不同頻率的波形作用于不同的物體就會相應(yīng)地產(chǎn)生出一種共振波[5]，當(dāng)這類波到達(dá)相應(yīng)的程度時就能夠帶動液壓杠桿上下擺動，從而使永磁無刷電機工作，發(fā)出三相交流電，這些電經(jīng)過雙PWM整流，逆變之后變成了三相平衡的電壓，流向電網(wǎng)給負(fù)載供電。系統(tǒng)中所采用的電機為永磁無刷電機，它結(jié)構(gòu)簡單、利于操作，運行起來可靠性強、抗干擾能力好、而且體積小、質(zhì)量輕。

1.1 海浪發(fā)電系統(tǒng)控制

在海浪發(fā)電系統(tǒng)中，控制部分采用的是功率跟蹤技術(shù)，即單位功率因數(shù)cosφ＝1和恒母線電壓。在實際應(yīng)用中，Vd為700 V左右。當(dāng)負(fù)載平衡時，Vd保持不變，輸出電壓為三相對稱電壓，且輸入功率Pd等于輸出功率P0。當(dāng)用電器件出現(xiàn)損壞時，會使輸出電壓的某一相突然對地短路，造成一個較大的電流強擾，導(dǎo)致Vd上下波動，影響海浪發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓的質(zhì)量。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是直接通過PI調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)母線電壓Vd。其PI參數(shù)是根據(jù)負(fù)載平衡的條件計算出來的，不能在線修改，這樣的控制方式響應(yīng)速度慢、電壓精度低，在負(fù)載發(fā)生電流強擾時不能及時地對KP，KI，KD進(jìn)行修正，在外界發(fā)生干擾的情況下不能達(dá)到理想的效果。

1.2 海浪發(fā)電系統(tǒng)控制優(yōu)化

本文采用模糊PID控制策略，對原有的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，加入模糊PID控制器模塊，在有大電流強擾的情況下，模糊PID控制模塊能夠及時地對PI參數(shù)進(jìn)行整定，使系統(tǒng)調(diào)整到當(dāng)前最佳運行狀態(tài)，抑制了強擾電流對輸出電壓的擾動，使母線電壓能夠快速回到原來的恒定值，保證了輸出電壓平滑穩(wěn)定。其系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 模糊PID控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Fuzzy PID control system block diagram

圖1中電機M在海浪共振器和液壓杠桿的共同作用下開始運行，海浪發(fā)電系統(tǒng)工作，在直流母線上取出給定電壓及電流，在電機M自帶測速電機中可得電機轉(zhuǎn)速，從而得出給定轉(zhuǎn)矩；在逆變器一側(cè)取出反饋的電壓和電流，得到反饋轉(zhuǎn)矩，整個系統(tǒng)將經(jīng)過計算的轉(zhuǎn)矩偏差e和偏差的變化率ec送進(jìn)模糊PID控制器，輸出值送進(jìn)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行在線參數(shù)整定，由于PWM只需要PI調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)，所以此時可以看成KD=0，將PI調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過dq-abc模塊變換，將2個旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)id，iq轉(zhuǎn)化為3個靜止的坐標(biāo)ia，ib，ic輸入給PWM模塊，從而達(dá)到對海浪發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 模糊PID控制器設(shè)計

本設(shè)計中模糊控制器采用雙輸入、雙輸出的二維模糊控制結(jié)構(gòu)，取轉(zhuǎn)矩偏差ΔT和轉(zhuǎn)矩偏差變化率dT/dt作為2個輸入變量，經(jīng)過模糊化后將2個輸入量以適當(dāng)比例轉(zhuǎn)換成論域中的數(shù)值E和EC，再經(jīng)過模糊推理得出模糊控制信號T1，T2，最后經(jīng)過解模糊將推論中所得的模糊值轉(zhuǎn)換成明確的控制信號KP，KI，KD在對PI調(diào)節(jié)器中的參數(shù)進(jìn)行整定之后經(jīng)過dq-abc變換得到3個靜止的坐標(biāo)ΔI，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)矩模糊控制器系統(tǒng)框圖Fig.2 Torque fuzzy controller system block diagram

本方案中模糊PID控制將轉(zhuǎn)矩偏差e，轉(zhuǎn)矩偏差變化率ec及輸出變量u轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)，為保證控制精度的同時簡化計算，選用三角形函數(shù)代替正態(tài)分布函數(shù)。設(shè)e，ec及u的模糊子集均為｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，對應(yīng)為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，對應(yīng) e=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，ec=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，u=｛-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7｝分別為其論域。 對應(yīng)的隸屬函數(shù)如圖3和圖4所示。針對海浪發(fā)電控制系統(tǒng)的特點，其模糊控制規(guī)則如表1和表2所示。

圖3 e，ec隸屬度函數(shù)Fig.3 Membership functions of e，ec

圖4 u隸屬度函數(shù)Fig.4 Membership functions of u

表1 ΔKp的模糊規(guī)則表Tab.1 Fuzzy logic control rules of ΔKP

表2 ΔKi的模糊規(guī)則表Tab.2 Fuzzy logic control rules of ΔKI

3 系統(tǒng)仿真

在實際應(yīng)用中是負(fù)載原因引起的輸出電壓某一相對地短路，而造成負(fù)載電流過大，由于負(fù)載都是民用電，額定電流一般在5 A～20 A左右，所以在仿真過程中在負(fù)載電流上加一個大電流信號模塊來模擬現(xiàn)場對系統(tǒng)的干擾，大電流設(shè)定為15 A，轉(zhuǎn)矩給定值為斜坡輸入，模糊控制和傳統(tǒng)PID控制的Simulink仿真結(jié)果如圖5所示?？梢娫?.5 s突加一個15 A的電流時，模糊控制比傳統(tǒng)PID控制調(diào)節(jié)時間短，且無超調(diào)，無余差，有明顯優(yōu)勢，系統(tǒng)的精度達(dá)到預(yù)期的要求。傳統(tǒng)PID控制時Vd的偏差率為20%，而在模糊PID控制下Vd的偏差率為5%，很好地抑制了母線電壓波動，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖5 系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.5 System simulation results

4 結(jié)語

在人工調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上對海浪發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行電氣自動化改造，應(yīng)用模糊PID控制實現(xiàn)了恒母線電壓控制系統(tǒng)的優(yōu)化，并通過實驗仿真驗證了該方法。實踐結(jié)果表明，基于模糊PID控制的恒母線電壓控制系統(tǒng)成功地在實驗室海浪發(fā)電項目優(yōu)化工程中得到實現(xiàn)，取得了良好的控制效果。具有較好的跟隨性能，無穩(wěn)態(tài)誤差，超調(diào)量較小，Vd偏差率控制在5%左右，很好地滿足了在實際應(yīng)用中的要求。

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