基于最小损耗反推控制的永磁同步电动机驱动柔性负载的储能控制方法技术

基于最小损耗反推控制的永磁同步电动机驱动柔性负载的储能控制方法，所述控制方法首先将涡簧等效为Euler‑Bernouli梁，基于Lagrange方程建立了描述涡簧振动模态的动力学模型；然后，将非线性反推控制引入系统控制中同时基于朗格朗日乘子法控制系统在储能的同时损耗最小，提出了一种基于最小损耗反推控制的永磁同步电动机直接驱动柔性负载的振动抑制同时效率最优的方法，分别建立了速度控制器和电流控制器，并从理论上证明了控制器的稳定性；同时针对涡簧模态的未知性，设计了一种带遗传因子最小二乘算法的涡簧振动模态估计方法，推导在最小损耗约束条件下的反推控制方法，以达到低损耗、高效率、高精度运行控制的目的。

Energy Storage Control Method for Flexible Load Driven by Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Minimum Loss Backstepping Control

The energy storage control method of flexible load driven by permanent magnet synchronous motor based on minimum loss back-stepping control is presented. The control method first equates the vortex spring with Euler Bernouli beam, and then establishes a dynamic model describing the vibration mode of the vortex spring based on Lagrange equation. Then, the nonlinear back-stepping control is introduced into the system control and the energy storage of the control system based on Langrange multiplier method is the same. This paper presents a method of optimizing both the vibration suppression and the efficiency of direct-drive flexible load of permanent magnet synchronous motor based on minimum loss backstepping control. The speed controller and current controller are established respectively, and the stability of the controller is proved theoretically. At the same time, a kind of vortex with genetic factor least square algorithm is designed for the unknown mode of the vortex spring. In order to achieve low loss, high efficiency and high precision operation control, the method of modal estimation of spring vibration is deduced and the back-stepping control method under the condition of minimum loss constraint is deduced.

【技术实现步骤摘要】
基于最小损耗反推控制的永磁同步电动机驱动柔性负载的储能控制方法
本专利技术涉及永磁同步电机的控制方法，属于电机

技术介绍
清洁、环保是现代电力系统的重要目标追求，因此，洁净化、规模化新能源接入电网成为现代电力系统发展的趋势之一。然而，以风电、光伏为代表的新能源具有时间随机、空间波动的特点，改变了传统电力系统电源侧出力可控可调的固有特征。为应对间歇式新能源出力带来的系统功率不平衡问题，发展储能技术是最有效途径之一。涡卷弹簧(简称涡簧)是一种古老、为人熟知的储能材料，以涡卷弹簧为储能媒介的机械弹性储能技术却是最近几年才提出的新型储能方式，但由于其安全、高效、无污染、实现容易、静态无损耗等优点，逐渐受到了国内外研究者的关注。被广泛应用于各种工业驱动领域，如电动汽车、数控机床和航天工程等。然而涡簧是利用等截面的细长材料按一定规律(常见为螺旋方程)缠绕而成，作为一种机械弹性元件，储能时涡簧从四周向芯轴收缩而产生明显变形，尤其是用于电能存储、长度远大于截面尺寸的大型涡簧，具有很大的柔性，研究表明此种涡簧在外力作用下将出现频率较低、振幅较大的固有振动，同时永磁同步电机具备结构简单、功率密度较高、力矩惯量较大等特点，在各领域发挥着越来越大的作用。因此减少永磁同步电动机(PMSM)系统的总损耗，控制PMSM系统处于最小损耗运行状态，进而提高PMSM系统的运行效率，建立体现振动模态的涡簧数学模型，在此基础上构建控制方法抑制其机械振动，提高系统运行效率是实现涡簧安全、平稳、高效储能的重要议题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于针对现有技术的弊端，做出三点创新：一是运用Lagrange方程建立了考虑振动模态的涡簧动力学方程，改进了传统涡簧研究中固有的“扭矩-转角线性模型”；二是提出了一种基于最小损耗反推控制的PMSM直接驱动柔性负载的方法，该控制方法在完成涡簧振动抑制的同时，实现了电机稳定、高效运行；三是设计了一种基于最小二乘算法的涡簧振动模态估计方法，为涡簧振动模态的获取与抑制提供了一种新的方法。本专利技术所述的问题是由以下技术方案实现的：基于最小损耗反推控制的永磁同步电动机驱动柔性负载的储能控制方法，所述控制方法为：首先根据PMSM的实际运行参数，在dq0旋转坐标系下建立PMSM的数学模型动态数学模型：电磁转矩方程为：Te＝1.5npψriwq其中：ud、uq为定子d、q轴电压，id、iq为定子d、q轴电流，iwq、iwd分别为d、q轴电流的有功分量，Ld、Lq为定子d、q轴电感，ψr为永磁体磁通，Rs为定子绕组相电阻，Rc为铁损等效电阻，np为转子极对数，ωr为转子机械角速度，Te为电磁转矩。将涡簧看作是Euler-Bernouli梁，那么，涡簧振动方程可表示为：式中：E为涡簧材料的弹性模量，ρ为涡簧材料的质量密度，I为截面矩，对矩形涡簧，I＝bh3/6，b和h分别为涡簧材料的宽度和厚度，f(x，t)为作用于涡簧的分布力，s(x，t)为位移。忽略N阶以后的模态，仅考虑N阶及以前的模态，则有：列出拉格朗日方程如下：式中：Qi为外力，q1为PMSM转过角度θr，qi(i＝2，...，N+1)为涡簧第i阶振动模态坐标ηi，T为外力拧紧涡簧时产生的动能，V为涡簧弹性形变产生的弹性势能。对于q1，式中：Tsp为涡簧自身扭矩，Tsp＝ksp·θr，ksp为涡簧弹性系数，实际中，与第1阶模态相比，高阶模态对系统性能的影响较少，故仅考虑第1阶模态，令x1＝η1，PMSM直接驱动涡簧储能的动力学方程可写为：然后基于PMSM直接驱动涡簧储能的动力学方程，应用最小损耗反推控制原理，设计控制器：其中：kω为大于零的速度控制参数，ωref为参考速度，eω为速度误差变量，ewq为q轴电流有功分量误差变量，kq为大于零的q轴电流控制参数，ewd为d轴电流有功分量误差变量，kd为大于零的d轴电流控制参数。ud、uq为定子d、q轴电压，id、iq为定子d、q轴电流，iwq、iwd分别为d、q轴电流的有功分量，Ld、Lq为定子d、q轴电感，ψr为永磁体磁通，Rs为定子绕组相电阻，Rc为铁损等效电阻，np为转子极对数，ωr为转子机械角速度，Te为电磁转矩，ksp为涡簧弹性系数，2.在现场中，涡簧振动模态η是很难获取的，然而η又作为涡簧系统的状态量存在于最小损耗反推控制中，对于基于最小二乘算法的PMSM涡簧振动模态估计方法，所述控制方法为：以带遗忘因子的最小二乘算法结构为基础，对PMSM直接驱动涡簧储能的动力学方程进行离散化处理，得到：其中：为涡簧振动模态的估计值，为待估计的参数向量，L(k)为k时刻的增益向量，P(k)为k时刻的协方差矩阵，为k时刻的信息向量，T为采样周期，k为采样点，为k时刻的信息向量，y(k)为系统的输出向量，ξ为最小二乘法的遗忘因子。在前次估计结果的基础上，就新的数据根据递推规则对前次估计的结果进行修正，得出新的参数估计值。本专利技术以转子参考速度ωref＝2rad/s为例，设计控制器优化涡簧振动模态、提高储能系统运行效率，从而实现抑制涡簧振动以及高效储能。同时对PMSM涡簧振动模态进行估计，试验结果表明：优化后的电机涡簧振动得到有效抑制的同时储能机组效率达到最优；且控制下的各参数能快速收敛并达到稳定值；控制方法在有效抑制涡簧振动的同时实现了系统高效、平稳储能。附图说明图1为PMSM直接驱动涡簧的结构示意图；图2为控制方法实现结构图；图3为PMSM最小二乘法的涡簧估计模态与实际模态η的比较波形；图4为基于最小损耗反推控制下的转子转速ωr和参考转速ωref波形；图5为基于最小损耗反推控制下的d轴电流有功分量iwd波形；图6为基于最小损耗反推控制下的q轴电流iwq波形；图7为基于最小损耗反推控制下的总损耗和反推控制下的总损耗比较波形；文中各符号为：ud、uq为定子d、q轴电压，id、iq为定子d、q轴电流，iwq、iwd分别为d、q轴电流的有功分量，Ld、Lq为定子d、q轴电感，ψr为永磁体磁通，Rs为定子绕组相电阻，Rc为铁损等效电阻，np为转子极对数，ωr为转子机械角速度，E为涡簧材料的弹性模量，f(x，t)为作用于涡簧的分布力，s(x，t)为涡簧经弯矩TL作用产生形变后在动态坐标系xoy中的位移变化，即涡簧在x处的挠度，ρ为涡簧材料的质量密度，b和h分别为涡簧材料的宽度和厚度，kω为大于零的速度控制参数，ωref为参考速度，eω为速度误差变量，ewq为q轴电流有功分量误差变量，kq为大于零的q轴电流控制参数，ewd为d轴电流有功分量误差变量，kd为大于零的d轴电流控制参数。Te为电磁转矩，Tsp为涡簧自身扭矩，Tsp＝ksp·θr，ksp为涡簧弹性系数，θr为PMSM转子转过的角度，为涡簧模态的估计值，为待估计的参数向量，L(k)为k时刻的增益向量，P(k)为k时刻的协方差矩阵，为k时刻的信息向量，T为采样周期，k为采样点，为k时刻的信息向量，y(k)为系统的输出向量，ξ为最小二乘法的遗忘因子，T为外力拧紧涡簧时产生的动能，V为涡簧弹性形变产生的弹性势能。具体实施方式本专利技术由以下技术方案实现：1.PMSM数学模型及损耗建模选择表贴式PMSM作为涡簧驱动电机，在dq0旋转坐标系下，PMSM的数学模型可描述为：电磁转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于最小损耗反推控制的永磁同步电动机直接驱动柔性负载的振动抑制方法，所述控制方法为：首先，建立永磁同步电动机直接驱动涡簧的动力学方程为：

【技术特征摘要】
1.基于最小损耗反推控制的永磁同步电动机直接驱动柔性负载的振动抑制方法，所述控制方法为：首先，建立永磁同步电动机直接驱动涡簧的动力学方程为：其中：ud、uq为定子d、q轴电压，id、iq为定子d、q轴电流，iwq、iwd分别为d、q轴电流的有功分量，Ld、Lq为定子d、q轴电感，ψr为永磁体磁通，Rs为定子绕组相电阻，Rc为铁损等效电阻，np为转子极对数，ωr为转子机械角速度，ksp为涡簧弹性系数，s(x，t)为涡簧经弯矩TL作用产生形变后在动态坐标系xoy中的位移变化，即涡簧在x处的挠度，ρ为涡簧材料的质量密度，b和h分别为涡簧材料的宽度和厚度，x1＝η1，η(t)为模态坐标，θr为PMSM转子转过的角度；然后，基于最小损耗反推控制的永磁同步电动机直接驱动涡簧储能的动力学方程，应用基于最小损耗的反推控制原理，设计控制器：其中：kω为大于零的速度控制参数，ωref为参考速度，eω为速度误差变量，ewq为q轴电流有功分量误差变量，kq为大于...

【专利技术属性】
技术研发人员：余洋，田夏，从乐瑶，谢仁杰，卢健斌，米增强，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13