一种用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法，首先建立复合反电动势模型滑模观测器，然后将两相静止坐标下电流状态方程的复合反电动势估算值反馈作为系统扰动，使用基于虚拟参数辨识法的多模扰动观测器对转子位置信息进行准确估计；同时，采用基于虚拟参数辨识法的多模扰动观测器对FSPM电机的定位力矩进行模糊预测，并通过误差在线训练补偿器进一步提高FSPM电机的定位力矩预测精度；同时，将定位力矩视为一个已知扰动进行控制。本发明专利技术能够使得FSPM电机定位力矩的预测值能够快速准确的跟随真实值，实现飞轮储能系统用FSPM电机在不同工况运行条件下的宽速度范围无位置准确跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法
本专利技术涉及一种用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法，属于飞轮储能系统用FSPM电机控制技术。
技术介绍
能源是社会进步和生产力发展的重要动力，随着全球经济的高速发展，能源需求快速增长，传统的化石能源消耗巨大，正在走向枯竭，人类面临着源危机的严峻考验。近些年，风能、太阳能发电等可再生能源技术发展迅速，可再生能源在未来电力系统的能源结构中将占有极其重要的位置。但是可再生能源本身具有间歇性和随机性，如果直接接入电力系统中，会严重影响电力系统的电能质量。储能技术是解决这一问题，高效利用可再生能源的重要途径之一，是未来智能电网发展中不可或缺的一部分。目前常见的储能方式有：蓄电池储能、超级电容储能、飞轮储能、超导储能等。其中飞轮储能具有效率高、寿命长、无污染、充放电迅速等优点，被认为是近期最有希望和最有竞争力的储能技术，有着非常广阔的应用前景。飞轮储能是将能量以机械能的形式储存在高速旋转的飞轮转子中，系统通常由飞轮转子、支撑轴承、电机、电力电子变换电路等组成。磁通切换电机(FSPM电机)继承了开关磁阻电机转子结构简单坚固和永磁同步电机(转子永磁式电机)转矩密度高、效率高的优点，永磁体放置在定子上，不受离心力，散热条件良好，而转子上既无绕组又无永磁体，结构简单、适合高速运行，非常适用于飞轮储能系统中。
技术实现思路
专利技术目的：为了提高飞轮储能系统的FSPM电机无位置传感器控制性能，针对FSPM电机双凸极结构引起的定位力矩较大的缺陷，本专利技术提供一种基于多模扰动观测器的转子位置鲁棒观测方法，将转子位置鲁棒观测器、多模扰动观测器、以及误差在线训练补偿器结合在一起，使得FSPM电机定位力矩的预测值能够快速准确的跟随真实值，实现飞轮储能系统用FSPM电机在不同工况运行条件下的宽速度范围无位置准确跟踪。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法，将复合反电动势估算值反馈引入到定子电流观测中以估算转子位置信息，是一种基于多模扰动观测器的转子位置鲁棒观测方法；该方法首先建立复合反电动势模型滑模观测器，然后将两相静止坐标下电流状态方程的复合反电动势估算值反馈作为系统扰动，使用基于虚拟参数辨识法的多模扰动观测器对转子位置信息进行准确估计；同时，为了提高系统的控制精度，采用基于虚拟参数辨识法的多模扰动观测器对FSPM电机的定位力矩进行模糊预测，并通过误差在线训练补偿器进一步提高FSPM电机的定位力矩预测精度；同时，将定位力矩视为一个已知扰动进行控制，以消除FSPM电机机械模型误差引起的转子速度和位置估算误差。具体的，为实现多模扰动观测器对FSPM电机参数的辨识，根据虚拟参数计算原理辨识电感和转动惯量参数，同时根据递推算法利用新引入的观测数据对前次估计的结果进行修正，并引入遗忘虚拟因子，使旧数据的作用得以不断衰减，防止数据递推饱和，随后利用复合反电动势一体化识别环，得到转子速度和位置信息。具体的，上述方法包括如下步骤：(1)在α-β旋转坐标系中FSPM电机的电流状态方程为：式中，uα、uβ和iα、iβ分别表示定子电压和电流在α-β旋转坐标系下的分量；Ld和Lq分别表示交轴和直轴电感，L1＝(Ld-Lq)/2；Rs和ψf分别表示定子电阻和永磁磁链；vm和θm分别表示转子速度和位置，Eex＝vm(ψf+2L1id)，Fe表示电磁转矩，Fcog表示定位力矩；Bm为阻力系数，Bm＝Bo+Bι，Bo和Bl分别表示风阻系数和摩擦系数；J表示转动惯量；(2)设转子速度和位置的估算值为和κ-γ虚拟坐标系以速度运行，定子电压和电流在κ-γ虚拟坐标系下的分量分别为uκ、uγ和iκ、iγ，则在κ-γ虚拟坐标系中FSPM电机的电流状态方程为：设定则有将eκ和eγ作为系统扰动，利用多模扰动观测器对eκγ进行观测，则基于多模扰动观测器的FSPM电机的电流状态方程为：式中，βκ1、βκ2和βγ1、βγ2分别为κ-γ虚拟坐标系下的收敛系数，fsκ和fsγ为已知系统扰动，δκ和δγ分别为eκ和eγ的估计量；利用复合反电动势一体化识别环，即可得到和若要观测fsκ和fsγ，需确定参数Ld、Lq、Rs和J，其中Rs为恒定值，采用基于虚拟参数辨识法确定Ld、Lq和J；(3)如何得到以待辨识虚拟参数为未知矢量的线性方程，是辨识虚拟参数最关键的步骤，因此需要对待辨识虚拟参数Ld、Lq和J的线性方程进行求解，虚拟参数的格式为：式中：式中，id、iq为d-q坐标下的电流分量，τ表示极距；根据虚拟参数计算原理，即当被辨识系统在运行时，每取得一次新的观测数据后，就在前次估计结果的基础上，根据递推算法利用新引入的观测数据对前次估计的结果进行修正，这样随着时间的推移，新观测数据一次次地引入，直到虚拟参数估计值达到满意的精确程度；同时为了防止数据递推的饱和使算法失去修正能力，引入遗忘虚拟因子λ，即遗忘因子虚拟参数，使旧数据的作用得以不断衰减；(4)FSPM电机受双凸极特殊结构的影响会引起定位力矩扰动，造成转子速度和位置估算稳态误差，采用多模扰动状态观测器对定位力矩扰动进行实时观测，将FSPM电机机械模型描述为：将z1＝ω，z2＝Fcog，u＝Fe带入多模扰动状态观测器，即得到定位力矩Fcog预测值，再利用误差在线训练补偿器进行前馈补偿，以降低不连续性幅值，从而在补偿稳态误差的同时削弱系统抖振。有益效果：本专利技术提供的用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法，将转子位置鲁棒观测器、多模扰动观测器、以及误差在线训练补偿器结合在一起，实现了飞轮储能系统用FSPM电机在不同工况运行条件下的宽速度范围无位置准确跟踪。附图说明图1为FSPM电机的截面拓扑结构示意图；图2为FSPM电机电压矢量图；图3为反电动势归一化的锁相环观测器跟踪框图；图4为带有定位力补偿的无位置传感器控制框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。一种用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法，将复合反电动势估算值反馈引入到定子电流观测中以估算转子位置信息，是一种基于多模扰动观测器的转子位置鲁棒观测方法；该方法首先建立复合反电动势模型滑模观测器，然后将两相静止坐标下电流状态方程的复合反电动势估算值反馈作为系统扰动，使用基于虚拟参数辨识法的多模扰动观测器对转子位置信息进行准确估计；同时，为了提高系统的控制精度，采用基于虚拟参数辨识法的多模扰动观测器对FSPM电机的定位力矩进行模糊预测，并通过误差在线训练补偿器进一步提高FSPM电机的定位力矩预测精度；同时，将定位力矩视为一个已知扰动进行控制，以消除FSPM电机机械模型误差引起的转子速度和位置估算误差。下面就该方法进行具体说明。在α-β旋转坐标系中FSPM电机的电压方程如式(1)所示：式中，uα、uβ和iα、iβ分别表示定子电压和电流在α-β旋转坐标系下的分量；Ld和Lq分别表示交轴和直轴电感，L0＝(Ld+Lq)/2，L1＝(Ld-Lq)/2；Rs和ψf分别表示定子电阻和永磁磁链；vm和θm分别表示转子速度和位置。由于FSPM电机的交、直轴电感不相等，即L1≠0，故μαβ中2θm的存在限制了基于反电动势的无位置传感器的应用。为此，为消除2θm的影响，首先利用三角函数变换将μαβ如式(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法，其特征在于：将复合反电动势估算值反馈引入到定子电流观测中以估算转子位置信息，是一种基于多模扰动观测器的转子位置鲁棒观测方法；该方法首先建立复合反电动势模型滑模观测器，然后将两相静止坐标下电流状态方程的复合反电动势估算值反馈作为系统扰动，使用基于虚拟参数辨识法的多模扰动观测器对转子位置信息进行准确估计；同时，为了提高系统的控制精度，采用基于虚拟参数辨识法的多模扰动观测器对FSPM电机的定位力矩进行模糊预测，并通过误差在线训练补偿器进一步提高FSPM电机的定位力矩预测精度；同时，将定位力矩视为一个已知扰动进行控制，以消除FSPM电机机械模型误差引起的转子速度和位置估算误差。

【技术特征摘要】
1.一种用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法，其特征在于：将复合反电动势估算值反馈引入到定子电流观测中以估算转子位置信息，是一种基于多模扰动观测器的转子位置鲁棒观测方法；该方法首先建立复合反电动势模型滑模观测器，然后将两相静止坐标下电流状态方程的复合反电动势估算值反馈作为系统扰动，使用基于虚拟参数辨识法的多模扰动观测器对转子位置信息进行准确估计；同时，为了提高系统的控制精度，采用基于虚拟参数辨识法的多模扰动观测器对FSPM电机的定位力矩进行模糊预测，并通过误差在线训练补偿器进一步提高FSPM电机的定位力矩预测精度；同时，将定位力矩视为一个已知扰动进行控制，以消除FSPM电机机械模型误差引起的转子速度和位置估算误差。2.根据权利要求1所述的用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法，其特征在于：为实现多模扰动观测器对FSPM电机参数的辨识，根据虚拟参数计算原理辨识电感和转动惯量参数，同时根据递推算法利用新引入的观测数据对前次估计的结果进行修正，并引入遗忘虚拟因子，使旧数据的作用得以不断衰减，防止数据递推饱和，随后利用复合反电动势一体化识别环，得到转子速度和位置信息。3.根据权利要求1所述的用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：(1)在α-β旋转坐标系中FSPM电机的电流状态方程为：式中，uα、uβ和iα、iβ分别表示定子电压和电流在α-β旋转坐标系下的分量；Ld和Lq分别表示交轴和直轴电感，L1＝(Ld-Lq)/2；Rs和ψf分别表示定子电阻和永磁磁链；vm和θm分别表示转子速度和位置，Eex＝vm(ψf+2L1id)，Fe表示电磁转矩，Fcog表示定位力矩；Bm为阻力系数，Bm＝Bo+Bl，Bo和Bl分别表示风阻系数和摩擦系数；J表示转动惯量；(2)设转子速度和位置的估算值为和κ-γ虚拟坐标系以速度运行，定子电压和电流在κ-γ虚拟坐标系下的分量分别为uκ、uγ和iκ、iγ，则在κ-γ虚拟坐标系中FSPM电机的电流状态方程为：设定则...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟高军，张亮，孙玉坤，刘海涛，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32