CN107453660A - 一种新颖的机械弹性储能***储能过程位置跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新颖的机械弹性储能***储能过程位置跟踪控制方法，机械弹性储能***在储能过程中通过控制永磁同步电机拧紧机械弹性储能装置实现电能到机械能的转换与存储。在储能过程中弹簧由箱壁向芯轴收缩，从而会引起涡簧箱反转矩逐渐增大和转动惯量逐渐减小。需要一种PMSM控制方案，保证PMSM转角(位置)准确跟踪以保证***储能量的精确、PMSM输出转矩迅速跟踪储能箱反转矩以保证控制***的安全。设计了以储能箱转角、转矩为核心的虚拟变量，并结合指数遗忘法的参数估计结果，得到d、q坐标系下定子电压方程，控制逆变器运行，保证储能***高效稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械弹性储能***储能过程控制方法，属于电机技术领域。
背景技术
机械弹性储能***在储能过程中通过控制永磁同步电机(Permanent MagnetSynchronous Motor，PMSM)拧紧机械弹性储能装置(涡簧箱)实现电能到机械弹性势能的转换与存储。涡簧箱中并列固定的大型平面蜗卷弹簧，在储能过程中弹簧由箱壁向芯轴收缩，从而会引起涡簧箱反转矩逐渐增大和转动惯量逐渐减小，无法保证***稳定运行。
发明内容
本发明的目的是针对控制对象的特点和现有技术的不足，提供一种机械弹性储能***储能过程位置跟踪控制方法，来保证***储能过程状态控制精确，运行平稳高效。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种新颖的机械弹性储能***储能过程位置跟踪控制方法，所述方法首先建立由机械弹性储能箱、PMSM、逆变器依次连接而成的机械弹性储能***的数学模型；然后采用指数遗忘法辨识算法估计储能单元参数；结合转矩控制的思想，d、q坐标系下***解耦及公式理论推导的简洁，结合***估计的结果，设计采用新型虚拟变量的位置反推控制器，最终得到两相静止坐标系下的电压输入值，控制逆变器运行，保证储能过程的高效运行。
上述储能过程位置跟踪控制方法，所述方法包括以下步骤：
a.根据机械弹性储能***的各个组成部分特性，建立机械弹性储能***数学模型：
TL＝T0+kTωt
ψd＝ψf+Lid
ψq＝Liq
Te＝1.5npψfiq
其中，ud，uq，分别为定子d，q轴电压；id，iq分别为定子d，q轴电流；R 为定子电阻；L为定子电感；np为极对数；ω为电机旋转角速度；ψf为转子磁链；ψd，ψq分别为定子磁链在d，q轴的分量；TL为储能箱转矩；T0为储能箱初始转矩；Te为电磁转矩；kT为储能箱转矩随转角变化的斜率；J为转动惯量；B 为粘性摩擦系数；定义ψs为ψd和ψq的平方和。
b.辨识算法：
Γ(k)＝[ξJ(k),ξTL(k)]T
式中，式中是Γ(k)的估计值，K和P分别为增益矩阵和协方差矩阵；λ是遗忘因子；和表示储能箱转矩矩和转动惯量估计值；Ts为采样周期；k 为采样点。
c.位置跟踪控制器设计
eθ＝θref-θ
eT＝Teref-Te
eψ＝ψsref-ψs
式中，θ是储能箱转角；θref、Teref和ψesef分别为θ、Te、ψs的参考值；eθ、 eT和eψ为误差变量；k2、k3、k5、k6为正的控制增益。
d.将控制电压ud和uq输入到PMSM数学模型，实现对储能过程的位置控制。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明控制方法能保证PMSM转角(位置)准确跟踪(和***储能量直接相关)、转速平稳运行(避免机械刚性冲击)、PMSM输出转矩迅速跟踪涡簧箱反转矩(避免涡簧箱带动PMSM反转)，同时还得能有效抑制转动惯量变化对***稳定性能的影响。对机械弹性储能***平稳安全的储能有重要的意义。
2、本发明利用了d、q坐标系下***控制方程较为简洁的优点，结合***参数估计和反推控制算法，使控制***达到性能要求。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是机械弹性储能***组成结构模型；
图2是位置反推控制算法实现框图；
图3是储能箱转动惯量变化拟合曲线；
图4是储能箱转矩辨识结果；
图5是储能箱转矩辨识误差；
图6是储能箱转动惯量辨识结果；
图7是储能箱转动惯量辨识误差；
图8是储能箱转角；
图9是PMSM输出转矩；
图10是储能箱储能功率；
文中各符号为：ud，uq，分别为定子d，q轴电压；id，iq分别为定子d，q 轴电流；R为定子电阻；L为定子电感；np为极对数；ω为电机旋转角速度；ψf为转子磁链；ψd，ψq分别为定子磁链在d，q轴的分量；TL为储能箱转矩；T0为储能箱初始转矩；Te为电磁转矩；kT为储能箱转矩随转角变化的斜率；J为转动惯量；B为粘性摩擦系数；定义ψs为ψd和ψq的平方和；是Γ(k)的估计值，K和P分别为增益矩阵和协方差矩阵；λ是遗忘因子；和表示储能箱转矩矩和转动惯量估计值；Ts为采样周期；k为采样点；θref、Teref和ψsref分别为θ、T、ψ的参考值；eθ、eT、eψ是误差变量；k1、k2、k3、k4、k5、k6为正的控制增益；
具体实施方式
本发明由以下技术方案实现：
1.机械弹性储能***数学模型
机械弹性储能***组成如图1所示，电网通过逆变器在本发明控制策略下，驱动PMSM实现的平稳高效储能。
PMSM在d、q轴坐标系下的数学模型可写为：
定子电流方程
定子磁链方程
转子运动方程
电磁转矩方程
Te＝1.5npψfiq (4)
式中：ud，uq，分别为定子d，q轴电压；id，iq分别为定子d，q轴电流；R 为定子电阻；L为定子电感；np为极对数；ω为电机旋转角速度；ψf为转子磁链；ψd，ψq分别为定子磁链在d，q轴的分量；TL为储能箱转矩；Te为电磁转矩；J为转动惯量；B为粘性摩擦系数；定义ψs为ψd和ψq的平方和；
机械弹性箱作为储能单元，其数学模型可以通过转矩TL和转动惯量J予以描述，其中，转矩TL如式(5)所示：
TL＝T0+kTωt (5)
其中，T0为储能箱初始转矩，ω为PMSM驱动轴转速，kT为储能箱转矩系数，是一个常量，由储能箱的固有特性(如储能箱内固定着的簧片弹性模量、宽度、厚度和长度等)决定，t为时间。
转动惯量J和储能箱的质量分布直接相关，储能过程中，簧片由箱壁向芯轴收缩，整个储能箱的质量分布会发生变化，过程比较复杂，拟合曲线如图3 所示。
2.控制***设计
2.1储能箱参数估计
最小二乘法由于原理简单、收敛较快、易于理解、易于编程实现，在参数估计中有很广泛的应用，但对于机械弹性储能***的参数慢时变问题，普通递推最小二乘算法有其的局限性：随着数据的增长，将会出现“数据饱和”现象，从而导致新采集的数据无法修正估计值，从而导致辨识失败。为克服这样的问题，可采用指数遗忘法，其通过遗忘因子λ的选择，可避免上述问题，因为机械弹性储能***为非线性控制***，通常选λ＝0.9，忽略粘滞摩擦系数B，公式(3) 可离散化为：
上式中，Ts为采样周期，k为采样点。
令Δω(k)＝ω(k)-ω(k-1)，
式(6)可表示为：
式中：
采用指数遗忘法估计可得：
式中是Γ(k)的估计值，K和P分别为增益矩阵和协方差矩阵；λ是遗忘因子；Ts为采样周期；k为采样点；根据式(10)至式(11)，能够估计储能箱的转矩和转动惯量
2.2位置控制器设计
机械弹性储能***中最关键的控制对象是和储能箱的反向作用转矩匹配的PMSM输出转矩，它和储能箱的转角是线性相关的，并且整个***的储能量，制动时间等都是根据储能箱的转角判断的，故选储能箱的转角为第一个控制对象，为保证转角的误差在全局范围内迅速收敛，首先定义转角误差为：
eθ＝θref-θ (12)
定义李雅普诺夫函数如下所示：
对其求导可得：
选取ωref如下所示：
用ωref替代ω可得：
其中，k1>0，根据李雅普诺夫稳定判据可知，转角误差全局收敛，能达到控制要求，控制***最关键的控制目标为PMSM输出转矩，选取它为第二控制对象，定义转矩误差为：
eT＝Teref-Te (17)
其中，选取：
其中，k5＝k1+k4，k6＝k1k4，取值都为正值，可得：
为保证转矩误差的全局收敛，定义李雅普诺夫函数如下所示：
对其求导可得：
定义：
其中：
将(22)代入(19)，结果再代入(21)可得：
通过李雅普诺夫稳定判据分析可知，PMSM输出转矩可以跟踪储能箱转矩，且误差全局收敛于零。
定义误差变量：
eψ＝ψsref-ψs (25)
对其求导可得：
定义：
对其求导可得：
取值：
将(29)代入(26)，结果再代入(28)可得：
下面给出***稳定性证明，由(30)可知：
由于V3有界，因此根据Barbalat推论，可得：
同理可得
实施例子
对提出的控制方法进行控制软件仿真分析。PMSM的参数为：定子相电阻Rs＝2.875Ω；定子电感L＝0.033H；永磁体磁通ψf＝0.38Wb；转子极对数np＝3；粘滞阻尼系数Bm＝0.0005N/rad/s。储能箱参数：转矩初始值T0＝3N·m， kT＝1N·m/r，储能箱总圈数为200r，转动惯量在状态1的值J0＝0.5kg·m2，储能箱在状态2的持续时间为50r，在状态2结束状态3开始的拐点值为0.3kg·m2，状态3的持续时间为150r，储能完毕状态4的值Jmin＝0.2kg·m2，控制器参数选取如下：k1＝0.1，k2＝10，k3＝100，k4＝50，仿真步长设置为0.001s，运行时间为 100s。
储能箱位置控制为2r/s·t，根据***及控制器参数，可得：
仿真结果如图4～10所示。图4为储能箱转矩的辨识结果，图5为辨识误差，可以看出，辨识算法只在最初的2s有些许抖动便迅速收敛，并且稳态辨识误差的最大值仅为转矩最大值得1％，辨识误差可忽略不计，同样，图6为转动惯量的辨识结果，图7为辨识误差，只在开始和拐点25s处有些许抖动，稳态辨识误差仅为转动惯量最大值的0.5％，辨识误差可忽略不计，故而控制算法中用辨识值代替实际值。
从图8可以看出，储能箱转角在100s转过了200r，储能完成，且为平滑的直线，可见储能过程平稳。图9为电机的输出转矩，能和储能箱转矩快速匹配，这也是本***最重要的控制目标，图10为***储能功率，随着储能的进行线性增大，可以大略计算总储能量为0.035KWh。
Claims (3)
1.一种机械弹性储能***储能过程位置跟踪控制方法，其特征在于：首先建立由机械弹性储能箱、PMSM、逆变器依次连接而成的机械弹性储能***的数学模型；以储能箱转角、转矩为核心虚拟变量，结合指数遗忘法的参数估计结果，设计采用新型虚拟变量的位置反推控制器，最终得到两相静止坐标系下的电压输入值，控制逆变器运行，保证储能***高效稳定运行。
2.根据权利要求1所述的机械弹性储能***储能过程位置跟踪控制方法，其特征在于：具体的步骤为：
通过电流传感器得到PMSM定子的实时电流i和转速ω，转子磁链Ψ采用对应电机的铭牌值，通过指数遗忘法估计出储能箱的时变参数和作为转矩反推控制器的输入变量；
通过编码器得到PMSM的转角θ，与参考值θref比较，差值作为转角反推控制器的输入变量，其输出变量为PMSM输出转矩参考值Teref；
电流传感器检测到PMSM定子三相电流，结合编码器转子位置检测结果，进行d-q变换得到id、iq，作为转矩反推控制器的输入变量，结合Teref得到实际控制变量uq的值，磁链反推控制器以ψref变量为输入值，输出值为实际控制变量ud的值，通过矢量调制控制变频器驱动PMSM拧紧机械弹性储能箱，储能过程完成，
其中：ud，uq，分别为定子d，q轴电压；id，iq分别为定子d，q轴电流；θref是储能箱转角θ的参考值；Te为电磁转矩，ψs为ψd和ψq的平方和，ψd，ψq分别为定子磁链在d，q轴的分量，Teref和ψsref分别是Te、ψs的参考值；和表示储能箱转矩和转动惯量估计值。
3.根据权利要求1所述的一种机械弹性储***储能过程位置控制方法，其特征在于：所述位置反推控制器方程为：
eθ＝θref-θ
eT＝Teref-Te
eψ＝ψsref-ψs
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其中：ud，uq，分别为定子d，q轴电压；id，iq分别为定子d，q轴电流；R为定子电阻；L为定子电感；np为极对数；ω为电机旋转角速度；ψf为转子磁链；ψd，ψq分别为定子磁链在d，q轴的分量；J为转动惯量；B为粘性摩擦系数；kθ、kT、kω、kψ为正的控制增益；θref是储能箱转角θ的参考值；Teref和ψsref分别是Te、ψs的参考值；eθ、eT、eψ是误差变量；k2、k3、k5、k6为正的控制增益，和表示储能箱转矩和转动惯量估计值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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