一种基于模型预测控制的风电磁悬浮偏航电机控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于模型预测控制的风电磁悬浮偏航电机控制方法，属于电气工程技术领域。该方法采用模型预测控制技术，对磁悬浮偏航电机的悬浮和偏航旋转过程进行实时平稳控制：当风向改变需要偏航时，首先由转子变流器通过代价函数寻找最优控制律控制转子电流，使转子向上悬浮至并保持在悬浮平衡点处；其次由定子变流器通过代价函数寻找最优控制律控制定子电流，使偏航电机按规定转速旋转至对风位置，同时使转子变流器通过代价函数寻找最优控制律控制转子电流，使转子保持在悬浮平衡点处，实现定转子协同控制而无需解耦，保证系统快速跟踪能力和稳定性，同时能够有效抑制因外界扰动对系统运行的影响，确保整个悬浮偏航旋转过程系统性能实时最优。

A control method of wind electromagnetic levitation yaw motor based on model predictive control

The invention relates to a wind electromagnetic levitation yaw motor control method based on model predictive control, which belongs to the technical field of electrical engineering. In this method, the model predictive control technology is used to control the suspension and yaw rotation of the maglev yaw motor in real time. When the wind direction changes need yaw, the rotor current is first searched by the rotor converter through the cost function to control the rotor current, so that the rotor is suspended upwards and kept at the suspension equilibrium point. Secondly, the stator current is searched by the stator converter through the cost function to control the stator current, so that the yaw motor rotates to the position of the wind at the specified speed. At the same time, the rotor converter can find the optimal control law through the cost function to control the rotor current, so that the rotor is kept at the suspension equilibrium point, and the rotor is controlled without the need of the rotor. Decoupling can ensure the fast tracking ability and stability of the system, at the same time, it can effectively suppress the influence of the external disturbance on the system operation, and ensure the performance of the whole suspension yaw rotation system performance in real time.

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型预测控制的风电磁悬浮偏航电机控制方法
本专利技术涉及一种控制方法，尤其是一种基于模型预测控制的风电磁悬浮偏航电机控制方法，属于电气工程

技术介绍
偏航系统，也称对风装置，是水平轴风力发电机组必不可少的重要组成部分，目前大中型水平轴风电机组均采用齿轮驱动的偏航系统，存在结构复杂、多电机驱动、占用空间大、故障率高、维护不便(需要润滑、且必须定期更换润滑油和润滑脂)等缺陷，一旦发生故障，更换困难，停机检修时间长，将给风电场乃至整个电网的正常运行造成严重影响。风电磁悬浮偏航系统采用磁悬浮驱动技术，取代传统的齿轮驱动技术，具有对风精度高、无需润滑、结构简单、维护方便、停电时间短、运行维护费用低等优势。通过电磁悬浮，一方面机舱处于悬浮状态，可实现精确对风；另一方面，简化了偏航系统结构，使维修简便，可大大缩短停机时间。风电磁悬浮偏航系统中最关键的部件是磁悬浮偏航电机，其工作原理是：当风向改变时，首先使其转子通入直流电，实现悬浮，到达悬浮平衡点后，使其定子通入交流电，转子开始旋转，直至到达对风位置。在旋转过程中，一方面要实施悬浮控制，使其处于平衡点，另一方面要控制其转速，实现稳定旋转，因而必须实现定转子协同控制。但磁悬浮技术因其高非线性、强耦合以及本质非稳定特点，实现其稳定控制极富挑战性，目前研究多集中在磁悬浮列车、磁悬浮轴承以及磁悬浮平面电机等领域的悬浮控制。其中，线性状态反馈控制是采用最多的悬浮控制策略，但多采用泰勒线性化方法在平衡点处线性化系统模型，藉此完成状态反馈控制，因此对气隙变化鲁棒性差；有的采用滑模控制实现了悬浮系统的鲁棒控制，但因其固有的抖振问题应用还有待完善。针对泰勒线性化忽略高阶动态问题，有人采用自适应方法实现悬浮体稳定控制；有的则采用反馈线性化和状态反馈实现悬浮体控制，但受系统参数摄动影响。还有文献将H∞控制应用于悬浮系统控制中，提高了系统对气隙或悬浮体质量变化的鲁棒性，但存在控制器阶数较高的缺陷。模型预测控制(MPC)与常规PI控制相比，无需解耦，速度反应快，过冲小，能够快速对系统故障或干扰做出最佳反应，从而避免系统受损或最大程度上减少系统损坏。但目前采用MPC技术对磁悬浮偏航电机系统开展研究甚少。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，本专利技术提供一种风电磁悬浮偏航电机的控制方法，通过采用模型预测控制(MPC)算法，实现定转子协同控制，确保风电磁悬浮偏航电机整个悬浮偏航旋转过程中系统性能实时最优。为了达到以上目的，本专利技术所述风电磁悬浮偏航电机为一种隐极式同步盘式电机，包括定子、转子、圆盘、塔架、导向轴承、悬浮架、负载平台、气隙传感器；所述定子与所述转子相对上下垂直同心放置；所述定子与所述圆盘固定，所述圆盘套接在所述塔架上并与所述塔架固定；所述转子与所述悬浮架固定；所述悬浮架还与所述负载平台固定；所述导向轴承与所述负载平台固定，并与所述塔架固定；所述负载平台与风电机组的机舱固定；所述气隙传感器与所述转子固定；所述定子包括定子铁心和三相绕组，所述三相绕组与定子变流器连接；所述转子包括转子铁心和直流励磁绕组，所述直流励磁绕组与转子变流器连接；所述转子、气隙传感器、悬浮架、负载平台及风电机组的机舱统称为悬浮物或悬浮系统。本专利技术一种基于模型预测控制的风电磁悬浮偏航电机控制方法，包括以下步骤：步骤1，当风向改变需要偏航时，首先由转子变流器根据磁悬浮偏航电机的悬浮动态数学模型，采用模型预测控制策略，控制转子电流大小，使磁悬浮偏航电机的转子向上悬浮至并保持在悬浮平衡点处，具体方法是：1-1)建立磁悬浮偏航电机的悬浮动态数学模型，建模过程如下：所述磁悬浮偏航电机转子直流励磁绕组通电以后，所述悬浮物在垂直方向上将受到向上的悬浮吸力F(Ir,δ)、向下的悬浮物重力mg和外界扰动力fd(t)，于是有垂直方向上的力学方程：式中，m为悬浮物质量，g为重力加速度；δ为所述转子和定子之间的悬浮气隙，为悬浮气隙δ对时间t的二阶导数，即悬浮物的加速度；Ir为转子电流，k1＝μ0N2S/4，其中，μ0为真空磁导率，N为转子直流励磁绕组的匝数，S为转子铁心的磁极表面有效面积；同时所述转子的电压方程为：式中，Ur为转子电压，Rr为转子电阻，ψr为转子磁链，Lr为转子直流励磁绕组的电感，且有Lr＝2k1/δ，δ为悬浮气隙δ对时间t的一阶导数，即悬浮物的运动速度；综上可得磁悬浮偏航电机的悬浮动态数学模型：1-2)令x1＝δ，x3＝Ir，代入式(1)，整理可得磁悬浮偏航电机悬浮状态空间方程为：1-3)对式(3)的左边采用前向差分欧拉方程作数值近似，可得：式中，xi(k)为变量xi在k时刻的值，i＝1，2，3，T为采样周期；1-4)将式(4)应用于式(3)，可得到下一时刻悬浮物运动速度x2的预测值和转子电流x3的预测值：式中，上标p表示变量的预测值；式(5)可以对转子变流器所产生的所有转子电压矢量中每个矢量情况下的转子电流Ir进行预测；1-5)对每次预测采用代价函数进行评估：式中，gr为转子变流器的代价函数，w1、w2为权重系数，分别为悬浮物运动速度、转子电流的参考值，其中，在悬浮上升过程中，根据设定的曲线确定；在悬浮平衡点处，通过悬浮气隙δ与平衡点出的悬浮气隙δ0的误差经PI控制器得到，分别为悬浮物运动速度、转子电流的预测值，由式(5)求得；1-6)选择并存储、应用使代价函数式(6)最小化的开关状态1-7)进入下一个采样时刻。步骤2，由定子变流器根据磁悬浮偏航电机的偏航动态数学模型，采用模型预测控制策略，控制定子电流，使磁悬浮偏航电机按规定转速ω*旋转至对风位置，具体方法是：2-1)建立磁悬浮偏航电机的偏航动态数学模型；建模过程如下：本专利技术所述磁悬浮偏航电机为隐极式同步盘式电机，无阻尼绕组，忽略磁路饱和以及各绕组漏感，按照坐标变换原理，可得到dq同步旋转坐标系下的磁悬浮偏航电机的动态电压方程为：式中，usd、usq、Ur分别为定子电压的d轴、q轴分量以及转子电压，isd、isq、Ir分别为定子电流的d轴、q轴分量以及转子电流，ψsd、ψsq、ψr分别为定子磁链的d轴、q轴分量以及转子磁链，Rs、Rr分别为定子电阻和转子电阻，ω1为定子旋转磁场角速度。磁链方程为：式中，Lsd、Lsq分别为定子绕组的d轴、q轴自感，对于隐极电机，有Lsd＝Lsq＝Ls；Lm为定子与转子绕组间的互感，Lr为转子直流励磁绕组的电感。转矩和运动方程：式中，ω为转子旋转角速度，np为电机极对数，J为旋转总转动惯量，TL为负载转矩。2-2)求dq同步旋转坐标系下的定子电压方程：将式(8)代入式(7)，得到：2-3)求定子电流离散时间模型：对采样时间T的定子电流导数采用欧拉近似法，即式中，i(k)为变量i在k时刻的值，T为采样时间；则将式(11)应用于式(10)，可得到dq同步旋转坐标系下的预测定子电流离散时间模型：2-4)对状态变量定子电流进行延时补偿，以解决计算时间导致的延时问题，过程如下：41)测量定子电流isd(k)、isq(k)及转子电流Ir(k)；42)根据式(12)，应用前一采样时刻的最佳开关状态估算k+1时刻的定子电流：式中，为定子电流在k+1时刻的估算值；43)预测下一采样时刻k+2的定子电流：式(14本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模型预测控制的风电磁悬浮偏航电机控制方法，所述风电磁悬浮偏航电机为一种隐极式同步盘式电机，包括定子、转子、悬浮架、负载平台、气隙传感器；所述定子与所述转子相对上下垂直同心放置；所述转子与所述悬浮架固定；所述悬浮架还与所述负载平台固定；所述负载平台与风电机组的机舱固定；所述气隙传感器与所述转子固定；所述定子包括定子铁心和三相绕组，所述三相绕组与定子变流器连接；所述转子包括转子铁心和直流励磁绕组，所述直流励磁绕组与转子变流器连接；所述转子、气隙传感器、悬浮架、负载平台及风电机组的机舱统称为悬浮物；其特征在于，包括以下步骤：步骤1，当风向改变需要偏航时，首先由所述转子变流器根据磁悬浮偏航电机的悬浮动态数学模型，采用模型预测控制策略，控制转子电流，使磁悬浮偏航电机的转子向上悬浮至并保持在悬浮平衡点处，具体方法是：1‑1)建立磁悬浮偏航电机的悬浮动态数学模型：所述磁悬浮偏航电机转子直流励磁绕组通电以后，所述悬浮物在垂直方向上将受到向上的悬浮吸力F(Ir,δ)、向下的悬浮物重力mg和外界扰动力fd(t)，于是有垂直方向上的力学方程：

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的风电磁悬浮偏航电机控制方法，所述风电磁悬浮偏航电机为一种隐极式同步盘式电机，包括定子、转子、悬浮架、负载平台、气隙传感器；所述定子与所述转子相对上下垂直同心放置；所述转子与所述悬浮架固定；所述悬浮架还与所述负载平台固定；所述负载平台与风电机组的机舱固定；所述气隙传感器与所述转子固定；所述定子包括定子铁心和三相绕组，所述三相绕组与定子变流器连接；所述转子包括转子铁心和直流励磁绕组，所述直流励磁绕组与转子变流器连接；所述转子、气隙传感器、悬浮架、负载平台及风电机组的机舱统称为悬浮物；其特征在于，包括以下步骤：步骤1，当风向改变需要偏航时，首先由所述转子变流器根据磁悬浮偏航电机的悬浮动态数学模型，采用模型预测控制策略，控制转子电流，使磁悬浮偏航电机的转子向上悬浮至并保持在悬浮平衡点处，具体方法是：1-1)建立磁悬浮偏航电机的悬浮动态数学模型：所述磁悬浮偏航电机转子直流励磁绕组通电以后，所述悬浮物在垂直方向上将受到向上的悬浮吸力F(Ir,δ)、向下的悬浮物重力mg和外界扰动力fd(t)，于是有垂直方向上的力学方程：式中，m为悬浮物质量，g为重力加速度；δ为所述转子和定子之间的悬浮气隙，为悬浮气隙δ对时间t的二阶导数，即悬浮物的加速度；Ir为转子电流，k1＝μ0N2S/4，其中，μ0为真空磁导率，N为所述转子直流励磁绕组的匝数，S为所述转子铁心的磁极表面有效面积；同时所述转子的电压方程为：式中，Ur为转子电压，Rr为转子电阻，ψr为转子磁链，Lr为转子直流励磁绕组的电感，且有Lr＝2k1/δ，为悬浮气隙δ对时间t的一阶导数，即悬浮物速度；综上可得所述磁悬浮偏航电机的悬浮动态数学模型：1-2)令x1＝δ，x3＝Ir，代入式(2)，整理可得所述磁悬浮偏航电机的悬浮状态空间方程为：1-3)对式(3)的左边采用前向差分欧拉方程作数值近似，可得：式中，xi(k)为变量xi在k时刻的值，i＝1，2，3，T为采样周期；1-4)将式(4)应用于式(3)，可得到下一时刻悬浮物速度x2的预测值和转子电流x3的预测值：式中，上标p表示相应变量的预测值；1-5)对每次预测采用代价函数进行评估：式中，gr为所述转子变流器的代价函数，w1、w2为权重系数，分别为悬浮物速度和转子电流的参考值，其中，在悬浮上升过程中，根据设定的曲线确定；在悬浮平衡点处，通过悬浮气隙δ与平衡点处的悬浮气隙δ0的误差经PI控制器得到，分别为悬浮物速度的预测值和转子电流的预测值，由式(5)求得；1-6)选择并存储、应用使代价函数式(6)最小化的开关状态1-7)进入下一个采样时刻；步骤2，由所述定子变流器根据磁悬浮偏航电机的偏航动态数学模型，采用模型预测控制策略，控制定子电流，使磁悬浮偏航电机按规定转速旋转至对风位置，具体方法是：2-1)建立所述磁悬浮偏航电机的偏航动态数学模型；建模过程如下：对于无阻尼绕组的隐极式同步盘式电机，忽略磁路饱和以及各绕组漏感，按照坐标变换原理，可得到dq同步旋转坐标系下的所述磁悬浮偏航电机的动态电压方程为：式中，usd、usq、Ur分别为定子电压的d轴、q轴分量以及转子电压，isd、isq、Ir分别为定子电流的d轴、q轴分量...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡彬，王楠楠，褚晓广，闫绍敏，苏佰丽，孔英，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37