技术领域
[0001] 本发明涉及变速恒频水力发电系统控制技术，特别涉及一种变速恒频水力发电系统最大功率跟踪方法，具体为一种基于模糊控制扰动观察法的变频水力发电方法及系统。
相关背景技术
[0002] 近年来，新能源发电逐渐转变为发电方式的主要研究对象，水力发电作为新能源发电的一种被广泛应用。由于水资源丰富，传统的恒速电站综合效率较低，小水电站的变速水力发电技术具有很大的发展潜力。与此同时，水力发电系统也面临着更加严苛的要求。
[0003] 传统水力发电站因为要保持与电网频率相同，所以水力发电系统需要通过恒速运行来维持电网频率。而受水轮机能量转换特性约束，当流量变化时，水轮机的最优效率运行转速将随之发生改变。并且，由于不同地区和不同季节的降水量有较大区别，水电站的输入端水头变化明显，其进水流量可能长时间偏离电站的预期工作点，此时水轮机若一直维持在额定转速工作，则水流量的不匹配关系不仅会影响机组的水能捕获效率，严重降低水电站输出功率。目前水力发电的最大功率跟踪技术几乎都是基于模型的方法，其通过连续调节轴转速而无瞬态过渡来减少跟踪时间，然而，实际水轮机内部复杂的水流体运动在每次调速后都会引起短期的功率波动。这种策略可能会导致算法过早收敛或无法收敛，进而导致水电站的重大能量损失。
具体实施方式
[0045] 针对目前水力发电的最大功率跟踪策略可能会导致算法过早收敛或无法收敛，进而导致水电站的重大能量损失的现状，本发明提供一种基于模糊控制扰动观察法的变频水力发电方法，通过基于模糊控制的变速恒频水力发电最大功率跟踪，实现对同步发电机转速的控制。
[0046] 本发明对变速恒频水力发电系统的机侧实现最大功率跟踪，基于模糊控制及扰动观察法理论，根据转速，功率及功率变化率作为控制误差信号，设置输入输出信号的模糊变量、隶属度函数以及模糊规则，根据模糊原则，推理出步长实际需要调节的控制参数，实现最大功率跟踪，相对于现有最大功率跟踪策略，本发明能够更加准确快速地实现最大功率跟踪。
[0047] 本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，不必限于清楚地列出的哪些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0048] 附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
[0049] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征相互任意结合，以形成新的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0050] 如图1所示，本发明实施例提供一种基于模糊控制扰动观察法的变频水力发电方法，包括：获取水力发电机当前时刻的转速、输出功率及前一时刻的输出功率；根据水力发电机当前时刻的输出功率及前一时刻的输出功率，计算输出功率变化量及输出功率变化率；将所述输出功率变化量及输出功率变化率进行模糊化；结合水力发电中转速与功率的变化关系，根据模糊推理得到输出功率的隶属度，反模糊化后得到转速的输出步长。
[0051] 本发明实施例提供的所述基于模糊控制扰动观察法的变频水力发电方法，通过基于模糊控制的变速恒频水力发电最大功率跟踪，实现对同步发电机转速的控制。
[0052] 变速恒频水力发电系统的基本原理控制框图如图3所示。该控制框图电机采用永磁同步电机。机侧控制器采用预测控制，流程为根据MPPT得到的最佳转速经过PI控制器得到q轴电流参考值，并与d轴电流参考值一起进入预测控制器对机侧变流器进行控制。网侧控制器采用传统矢量控制，流程为根据直流母线电压参考值经过PI控制器得到d轴电压参考值，给定无功经过PI控制器得到q轴电压参考值，并经过SVPWM调制进行网侧控制。本发明实施例考虑了变流器、发电机PMSG以及电网模型，适合水力发电系统各种工况下高性能控制。
[0053] 作为一种优选的实施例，本发明实施例通过变速恒频水力发电最大功率跟踪实现对同步发电机转速的控制，如图2所示，其流程包括以下步骤：
[0054] 步骤1，获取水力发电机当前时刻的转速ω(k)，输出功率P(k)及前一时刻的输出功率P(k‑1)并计算输出功率变化量dP(k)及输出功率变化率dP/dn。
[0055] 本发明实施例中，步骤1中计算输出功率变化量dP(k)的表达式为：
[0056] dP(k)＝P(k)‑P(k‑1)
[0057] 步骤2，将功率变化量dP及功率变化率dP/dn进行模糊化。
[0058] 本发明实施例中，步骤2还包括：
[0059] 步骤2.1，设置输出功率变化量dP、输出功率变化率dP/dn及输出步长Δ ω的模糊集合，e为输出功率变化量，ec为输出功率变化率，ωs为步长,e,ec,ωs的隶属度曲线均取三角形隶属度曲线。
[0060] 步骤2.2，设置e的模糊集合为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，设置ec的模糊集合为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，设置ωs的模糊集合均为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。
[0061] 本发明实施例中进行跟踪的条件为
[0062] P(k)‑P(k‑1)＞Popt
[0063] 上式中：Popt为设定功率，若两时刻内功率差大于该值，则需进行功率跟踪；若两时刻内功率差小于该值，则可近似判断其处于最大功率点。
[0064] 本发明实施例中，步骤2的模糊规则为：
[0065] 当dP＞0且dP/dn＞0时，说明水力发电系统工作在最大功率点左侧，并不断接近最大功率点，此时保持方向不变，并根据与最大功率点接近程度调整步长；
[0066] 当dP＜0且dP/dn＜0时，说明水力发电系统工作在最大功率点右侧，并不断远离最大功率点，需要改为负步长，并根据与最大功率点接近程度调整步长；
[0067] 当dP＜0且dP/dn＞0时，说明水力发电系统工作在最大功率点左侧，并不断远离最大功率点，需要改为负步长，并根据与最大功率点接近程度调整步长；
[0068] 当dP＞0且dP/dn＜0时，说明水力发电系统工作在最大功率点右侧，并不断接近最大功率点，此时保持方向不变，并根据与最大功率点接近程度调整步长。
[0069] 根据如上规则，得出模糊规则控制表如表1所示。
[0070] 表1模糊规则控制表
[0071]
[0072] 步骤3，结合水力发电的输出特性，根据模糊推理得到输出功率的隶属度，反模糊化后得到输出步长Δω。
[0073] 水力发电的输出特性如图4所示，其展示了功率与转速的关系，图中H表示水头，Q表示流量。
[0074] 图5至图7分别给出了输出功率变化量、输出功率变化率、步长(转速)的隶属度函数。如图5所示，假设功率变化在0.3时刻(横坐标)，根据该图像可以得出纵坐标在Z0和PS两条线上，并且在Z0和PS两条函数上的隶属度不同(纵坐标)，由此可得，不同横坐标时刻，会得到两种不同的隶属度。
[0075] 本发明实施例中，步骤3反模糊化的方法为重心法，其表达式如下：
[0076]
[0077] 上式中：xi为模糊输出；μ(xi)为xi对应的隶属度函数值；U为去模糊化后得到的精确值，即去模糊化后得到的输出步长Δω。
[0078] 本发明实施例中，e的模糊论域设为[‑3,3]，ec的模糊论域设为[‑0.3,0.3]，ωs的模糊论域设为[‑0.03,0.03]。
[0079] 本发明实施例基于模糊控制的变速恒频水力发电最大功率跟踪，相比于传统最大功率跟踪技术，提高了水力发电系统的跟踪速度和控制精度，做到了快速性和精确性的统一，克服了传统方法跟踪速度慢、系统不稳定的情况提高了水文环境变化时的最大功率跟踪速度，从而提高了水力发电系统的发电效率。
[0080] 本发明实施例根据模糊控制扰动观察法，通过最大功率跟踪实现对转速的控制，在功率模糊化后，利用重心法反模糊化，计算得到转速变化量，并利用该转速变化量改变下一时刻的转速，进而达到控制转速的目的。
[0081] 本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供一种基于模糊控制扰动观察法的变频水力发电系统，该系统用于执行上述方法实施例中的基于模糊控制扰动观察法的变频水力发电方法。
[0082] 参见图8，该系统包括：第一主模块，用于获取水力发电机当前时刻的转速、输出功率及前一时刻的输出功率；第二主模块，用于根据水力发电机当前时刻的输出功率及前一时刻的输出功率，计算输出功率变化量及输出功率变化率；第三主模块，用于将所述输出功率变化量及输出功率变化率进行模糊化；第四主模块，用于结合水力发电中转速与功率的变化关系，根据模糊推理得到输出功率的隶属度，反模糊化后得到转速的输出步长。
[0083] 本发明实施例提供的基于模糊控制扰动观察法的变频水力发电系统，面向现有最大功率跟踪策略可能会导致算法过早收敛或无法收敛，进而导致水电站的重大能量损失的现状，采用图8中的若干模块，通过基于模糊控制的改进扰动观察法，可以快速收敛水电站的暂态能量波动，实现最大功率跟踪，进而实现对同步发电机转速的控制。
[0084] 需要说明的是，本发明提供的系统实施例，除用于实现上述方法实施例中的方法外，还用于实现本发明提供的其他方法实施例中的方法，区别仅仅在于设置相应的功能模块，其原理与本发明提供的上述系统实施例的原理基本相同，只要本领域技术人员在上述系统实施例的基础上，参考其他方法实施例中的具体技术方案，通过组合技术特征获得相应的技术手段，以及由这些技术手段构成的技术方案，在保证技术方案具备实用性的前提下，就对上述系统实施例中的模块进行改进，得到相应的系统类实施例，用于实现其他方法类实施例中的方法。例如：
[0085] 基于上述系统实施例的内容，作为一种优选的实施例，本发明实施例中提供的一种基于模糊控制扰动观察法的变频水力发电系统，还包括：
[0086] 第五主模块，用于在水力发电机当前的输出功率与前一时刻的输出功率的差大于设定功率时，进行功率跟踪，根据当前时刻的转速及输出步长输出下一时刻的转速；以及在水力发电机当前的输出功率与前一时刻的输出功率的差小于或等于设定功率时，以当前时刻的转速重置转速的初始步长。
[0087] 基于上述系统实施例的内容，作为一种优选的实施例，本发明实施例中提供的一种基于模糊控制扰动观察法的变频水力发电系统，所述第三主模块还用于执行如下指令：
[0088] 设置输出功率变化量、输出功率变化率及输出步长的模糊集合，输出功率变化量、输出功率变化率及输出步长的隶属度曲线均取三角形隶属度曲线；
[0089] 设置输出功率变化量的模糊集合为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，设置输出功率变化率的模糊集合为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，设置输出步长的模糊集合为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，其中，NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。
[0090] 基于上述系统实施例的内容，作为一种优选的实施例，本发明实施例中提供的一种基于模糊控制扰动观察法的变频水力发电系统，还包括如下模糊规则：
[0091] 当输出功率变化量大于0且输出功率变化率大于0时，说明水力发电系统工作在最大功率点左侧，并不断接近最大功率点，此时保持方向不变，并根据与最大功率点接近程度调整步长；
[0092] 当输出功率变化量小于0且输出功率变化率小于0时，说明水力发电系统工作在最大功率点右侧，并不断远离最大功率点，需要改为负步长，并根据与最大功率点接近程度调整步长；
[0093] 当输出功率变化量小于0且输出功率变化率大于0时，说明水力发电系统工作在最大功率点左侧，并不断远离最大功率点，需要改为负步长，并根据与最大功率点接近程度调整步长；
[0094] 当输出功率变化量大于0且输出功率变化率小于0时，说明水力发电系统工作在最大功率点右侧，并不断接近最大功率点，此时保持方向不变，并根据与最大功率点接近程度调整步长。
[0095] 基于上述系统实施例的内容，作为一种优选的实施例，本发明实施例中提供的一种基于模糊控制扰动观察法的变频水力发电系统，所述输出功率变化量的模糊论域设为[‑3,3]，所述输出功率变化率的模糊论域设为[‑0.3,0.3]，所述输出步长的模糊论域设为[‑
0.03,0.03]。
[0096] 基于上述系统实施例的内容，作为一种优选的实施例，本发明实施例中提供的一种基于模糊控制扰动观察法的变频水力发电系统，所述第四主模块还用于执行如下指令：
[0097] 采用重心法进行反模糊化，表达式为：
[0098]
[0099] 其中，xi为模糊输出，μ(xi)为xi对应的隶属度函数值，U为去模糊化后得到的输出步长。
[0100] 基于与上述实施例相同的发明构思，本发明还提供一种非暂态计算机读存储介质，所述非暂态计算机读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行所述的方法，包括：
[0101] 获取水力发电机当前时刻的转速、输出功率及前一时刻的输出功率；
[0102] 根据水力发电机当前时刻的输出功率及前一时刻的输出功率，计算输出功率变化量及输出功率变化率；
[0103] 将所述输出功率变化量及输出功率变化率进行模糊化；
[0104] 结合水力发电中转速与功率的变化关系，根据模糊推理得到输出功率的隶属度，反模糊化后得到转速的输出步长。
[0105] 以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元是或者也不是物理上分开的，作为单元显示的部件是或者也不是物理单元，位于一个地方，或者也分布到多个网络单元上。根据实际的选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，理解并实施。
[0106] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。
