CN107453662A - 基于自适应反推控制的机械弹性储能用PMSG 闭环I/f 控制方法 - Google Patents
基于自适应反推控制的机械弹性储能用PMSG 闭环I/f 控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于自适应反推控制的机械弹性储能用PMSG闭环I/f控制方法,首先建立机械弹性储能箱、PMSG、逆变器依次连接而成的机械弹性储能***的数学模型;利用坐标变换将PMSG的数学模型变为以定子电流定向的数学模型,由反推控制得出PMSG的控制量;结合自适应控制辨识***的定子电阻和电感,增强***的鲁棒性。
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
风电等可再生能源具有间歇性和波动性的特点,大规模风电接入电网会带来调峰、调频、安全稳定运行风险增加等问题。机械弹性储能(MechanicalElasticEnergyStorage,MEES)具有能量转换效率高、储能容量可调、功率响应速度快、对环境友好等优点,是解决目前新能源并网、消纳等问题的一种有效途径。MEES***依靠涡簧储存机械能,以永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)作为能量转换执行机构,在电网低负荷时将电能转换为储能箱的弹性势能储存起来,然后在电力高负荷阶段,再将机械能转化为电能。储能箱与发电机联动使机械弹性储能***在运行过程中转矩和转动惯量实时变化,因此对PMSG的控制提出了较高的要求。
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,提出了一种机械弹性储能***在启动和稳定运行阶段的控制方法,来保证***稳定运行。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的:
基于自适应反推控制的机械弹性储能用PMSG闭环I/f控制方法,所述方法首先建立机械弹性储能箱、PMSG、逆变器依次连接而成的机械弹性储能***的数学模型;利用坐标变换将PMSG的数学模型变为以定子电流定向的数学模型,由反推控制得出PMSG的控制量;结合自适应控制辨识***的定子电阻和电感,增强***的鲁棒性。
基于自适应反推控制的机械弹性储能用PMSG闭环I/f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:
其中,M为涡簧材料的弹性模量,H为横截面的惯性矩,a为涡簧片的宽度,b为涡簧片的厚度,L为涡簧长度,ε为d轴与q*轴之间的夹角,wi为d*q*轴的旋转速度,wr为dq轴的旋转速度,ψr为转子励磁空间矢量,Tm为储能箱施加给电机的转矩,np为电机极对数,is为定子电流,B为阻尼系数,L为等效同步电感,为电机定子q*轴电压,为定子d轴电压。
b.控制器设计
eε=ε-ε*
eω=ωr-ωr *
ei=is-is *
c.自适应辨识
本发明的优点和有益效果:
1、本发明采用If控制,由If控制的“转角-自平衡”原理可以自动平衡转矩和速度,不需要速度传感器,能够提高***的启动性能。
2、本发明采用闭环的控制结构使机械弹性储能***能够跟踪给定速度和定子电流,防止启动阶段的定子过电流。
3、本发明将自适应控制和反推控制结合提高***的鲁棒性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是储能箱结构图;
图2是以定子电流定向的PMSG矢量关系图;
图3是PMSG闭环I/f控制方案;
图4是10r/min闭环I/f控制下速度波形图;
图5是10r/min闭环I/f控制下电流波形图;
图6是20r/min闭环I/f控制下速度波形图;
图7是20r/min闭环I/f控制下电流波形图;
图8是30r/min闭环I/f控制下速度波形图;
图9是30r/min闭环I/f控制下电流波形图;
图10是电阻的辨识图;
图11是电感的辨识图。
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
1.1建立机械弹性储能箱的数学模型
机械弹性储能的储能箱结构如图1所示,储能箱中的涡簧将存储的机械能通过PMSG转化为电能,储能箱的数学模型为:
涡簧片一端与储能箱箱体外壁固定,另一端与储能箱轴相连,轴对涡簧片产生的反力矩很小可以忽略不计,从而选任意择涡簧片的一小段dL进行分析,设在初始状态下涡簧片的曲率半径为r1,在力矩Tm作用下曲率半径为r2,根据材料力学公式建立涡簧箱输出力矩的数学模型:
其中,M为涡簧材料的弹性模量,H为横截面的惯性矩,a为涡簧片的宽度,b为涡簧片的厚度。假设所取dL在初始情况下相对于曲率中心的角度为dδ1,在力矩Tm的作用下曲率中心的角度变为dδ2,则有:
在力矩Tm的作用下,可得出转角增加值为:
其中,L为涡簧长度,根据材料力学公式可求得外力矩为:
1.2建立PMSG的数学模型
PMSG结构简单,发电效率高,选择其作为机械弹性储能***的能量转换元件。永磁同步发电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量复杂***,为简化研究做出如下假设:①三相绕组完全对称;②忽略电机齿槽、电枢反应和换相过程的影响;③永磁体磁动势沿气隙正弦分布。
建立以电机转子为d轴的dq坐标系和以定子电流为d*轴的d*q*坐标系,如图2所示,电机定子电流is定向于q*轴,可以得到永磁同步发电机的数学模型为:
2.控制***设计
定义误差:
eε=ε-ε* (11)
eω=ωr-ωr * (12)
ei=is-is * (13)
对角度闭环控制
令
则
取
令李雅普诺夫函数为
则李雅普诺夫函数的导数为:
速度的闭环控制由式(8)可求得
取:
取:
可求得李雅普诺夫导数为
由式(9)可得
取
3.自适应辨识
令
取李雅普诺夫函数
取
4.稳定性证明:
通过(32)式表明控制***是稳定的。
其中ε为d轴与q*轴之间的夹角,ωi为d*q*轴的旋转速度,ωr为dq轴的旋转速度,ψr为转子励磁空间矢量,Tm为储能箱施加给电机的转矩,np为电机极对数,is为定子电流,B为阻尼系数,L为等效同步电感,为电机定子q*轴电压,为定子d轴电压。eε为夹角ε参考值和实际值得偏差,eω为速度参考值和实际值的偏差,ei为定子电流的参考值和实际值的偏差。ε*是d轴和q*轴之间夹角ε的参考值,ωr *是转子转速的参考值,is *是定子电流的参考值。是Rs、L的估计值是Rs、L的偏差值。k1、k2、k3为控制参数,λ1为定子电阻的自适应控制参数,λ2为定子同步电感的自适应控制参数。
图3为闭环的If控制***的结构框图,闭环的If控制***由速度环和电流环组成。取PMSG定子三相电流ia ib ic,通过坐标变换为两项旋转坐标系下的电流将额定转速、定子电流和定子电流频率通过前述控制规律得到PMSG的控制量uq和ud,uq和ud通过变频器控制电机。
实施例子
为了验证本文所提出的永磁同步发电机闭环I/f控制方法的性能,在分别验证***从静止状态到转速达到10r/min,20r/min,30r/min的过程,以验证控制方法对***各运行工况下均具有良好的控制效果。所用永磁同步发电机参数为:永磁磁通ψr=0.3wb,等效电感L=0.033H,定子电阻Rs=3Ω,阻尼系数B=0.002,极对数np=50。
机械弹性储能***发电运行过程中由弹簧为PSMG提供转矩,PMSG低谷运行发电,从仿真结果图4、图6和图8可以看出闭环I/f控制方法从静止状态到转速达到10r/min,20r/min,30r/min的过程均有良好的控制效果。闭环I/f控制下可以使***快速跟踪给定速度并抑制转速的波动,从图5、图7和图9可以看出闭环I/f控制下初始定子电流大于零,该电流产生的转矩能够防止PSMG在初始转矩未知的情况下发生反转。
从图10和图11可以看出,电阻和电感的辨识值在0.5s之内能够准确辨识***的电阻和电感,仿真结果表明闭环I/f控制具有一定的抗干扰能力。
Claims (4)
1.一种基于自适应反推控制的机械弹性储能用PMSG闭环I/f控制方法,首先建立机械弹性储能箱、PMSG、逆变器依次连接而成的机械弹性储能***的数学模型,其特征在于:利用坐标变换将PMSG的数学模型变为以定子电流定向的数学模型,由反推控制***得出PMSG的控制量;结合自适应控制辨识***的定子电阻和电感,增强***的鲁棒性。
2.根据权利要求1所述的基于自适应反推控制的机械弹性储能用PMSG闭环I/f控制方法,其特征在于:所述的反推控制***的方程为:
定义误差:
eε=ε-ε*
eω=ωr-ωr*
ei=is-is *
ε*是d轴和q*轴之间夹角ε的参考值,ε为d轴与q*轴之间的夹角,ωr为dq轴的旋转速度,ωr *是转子转速的参考值,is为定子电流,is *是定子电流的参考值,eε为夹角ε参考值和实际值得偏差,eω为速度参考值和实际值的偏差,ei为定子电流的参考值和实际值的偏差。
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其中:Usq为定子q轴电压,Rs为PMSG的定子电阻,L为定子同步电感,ψr为转子励磁空间矢量,k3为控制系数,np为电机极对数。
3.根据权利要求1所述的基于自适应反推控制的机械弹性储能用PMSG闭环I/f控制方法,其特征在于:所述的自适应控制辨识***的方程为:
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其中:λ1为定子电阻的自适应控制参数,λ2为定子同步电感的自适应控制参数,is为定子电流,ei为定子电流的参考值和实际值的偏差,是Rs、L的估计值是Rs、L的偏差值,Rs为PMSG的定子电阻,L为定子同步电感。
4.根据权利要求1所述的基于自适应反推控制的机械弹性储能用PMSG闭环I/f控制方法,其特征在于:机械弹性储能***数学模型:
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其中,M为涡簧材料的弹性模量,H为横截面的惯性矩,a为涡簧片的宽度,b为涡簧片的厚度,L为涡簧长度,ε为d轴与q*轴之间的夹角,wi为d*q*轴的旋转速度,wr为dq轴的旋转速度,ψr为转子励磁空间矢量,Tm为储能箱施加给电机的转矩,np为电机极对数,is为定子电流,B为阻尼系数,L为等效同步电感,为电机定子q*轴电压,为定子d轴电压。
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