一种新型的永磁同步发电机电流控制方法技术

本发明专利技术公开了一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，在传统无差拍永磁同步发电机电流控制的基础上，利用反馈量对电流超前一拍进行估计，设计改进的无差拍永磁同步发电机电流控制模型；然后在此基础上设计基于参考电流信号中引入电流跟踪误差的跟踪目标，得到永磁同步发电机电流误差的闭环控制方程。本发明专利技术设计的改进无差拍控制利用反馈量实现了对电机电流的超前一拍估计，削弱了数字控制滞后一拍对系统动态性能的影响，显著提高了电流跟踪的动态性能；此外，在改进无差拍控制的参考电流中引入电流跟踪误差的积分补偿，提高了电流跟踪的稳态精度。

A New Current Control Method for Permanent Magnet Synchronous Generator

【技术实现步骤摘要】
一种新型的永磁同步发电机电流控制方法
本专利技术涉及一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，属于同步发电机自动控制领域。
技术介绍
永磁同步发电机(permanentmagnetsynchronousgenerator,PMSG)具有效率高、功率密度高、无需电刷、可靠性高等诸多优点，因此在工业中取得了广泛的应用。PMSG输出电流电压为交流电，且电压幅值与频率与PMSG的转速直接相关，因此需要在PMSG的输出端增加电力电子整流装置来保持输出电压的稳定。传统的利用二极管的不控整流方法存在电流谐波大、电机损耗大、电压无法调节等问题，而基于脉宽调制技术(pulse-widthmodulation,PWM)的整流器具有输入电流纹波小、直流电压可调和功率双向流动等优点，因此PWM整流器在PMSG系统中得到了广泛的研究与应用。基于PWM整流器的PMSG系统框图如图1(a)所示，其中，Cdc是整流器输出滤波电容，Uref是整流器输出参考电压，控制器的目标是利用系统反馈量：电机相电流Iabc与整流输出电压Udc来生成合适的PWM驱动信号，进而实现Udc对参考电压Uref的高精度跟踪。传统控制器设计方案中，双环控制，即电压外环加上电流反馈内环的控制策略最为常见，如图1(b)所示，主要特点是物理意义明确，控制效果优秀，且可以自然实现整流器的过流保护，提高了系统的可靠性。在双环控制器的设计中，电流内环的控制尤为重要，其性能直接影响了系统的整体性能，因此，PMSG电流控制得到了广泛的研究，常见的控制策略有比例积分(proportionalintegral,PI)控制，无差拍控制，极点配置等等。其中无差拍控制具有结构简单、动态性能好的特点，然而考虑到数字控制中固有的一拍延迟问题与外部扰动时，无差拍电流控制器的控制效果会严重恶化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于积分参考补偿的改进的无差拍电流控制方法，利用反馈量实现对电机电流的超前一拍估计，削弱了数字控制滞后一拍对系统动态性能的影响，在改进无差拍控制的参考电流中引入电流跟踪误差的积分补偿，提高了电流跟踪的稳态精度。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，包括以下步骤：1)建立传统无差拍永磁同步发电机电流控制模型；2)利用反馈量对电流超前一拍进行估计，设计改进的无差拍永磁同步发电机电流控制模型；3)设计基于参考电流信号中引入电流跟踪误差的跟踪目标，得到永磁同步发电机电流误差的闭环控制方程。前述的步骤1)具体过程如下：11)采用状态反馈补偿发电机d轴和q轴的电流耦合，得到d轴和q轴电流控制器输出方程：其中，ud0和uq0分别是d轴和q轴电流控制器的输出电压，id和iq分别是同步发电机d轴和q轴电流，Ld和Lq分别为同步发电机d轴和q轴的电感，R为电机定子电阻，t为时间；12)运用前向差分法，得到永磁同步发电机的电流差分模型：其中，k为k节拍，ud0(k)和uq0(k)分别为k节拍时d轴和q轴电流控制器的输出电压，Id(k)和Iq(k)分别为k节拍时同步发电机d轴和q轴电流，Id(k+1)和Iq(k+1)分别为k+1节拍时同步发电机d轴和q轴的电流，Ts为控制周期；13)传统无差拍控制器的设计目标为在下一拍实现对参考电流的跟踪，即：Id(k+1)＝Idref(k)Iq(k+1)＝Iqref(k)，其中，Idref与Iqref分别为同步发电机d轴和q轴的参考电流；则基于电流差分模型，得到传统无差拍永磁同步发电机电流控制的差分方程：14)基于实际控制过程中，会出现滞后一拍的理论，得到实际无差拍控制的差分方程：15)将实际无差拍控制的差分方程改写为z域传递函数，即为传统无差拍永磁同步发电机电流控制模型：其中，ud0(z)和uq0(z)分别为d轴和q轴电流控制器在z域的输出电压。前述的步骤2)中，改进的无差拍永磁同步发电机电流控制模型为：其中，Idest(z)和Iqest(z)分别为同步发电机d轴和q轴电流的超前预测值。前述的输出电流的超前预测值计算如下：前述的步骤3)中，所述基于参考电流信号中引入电流跟踪误差的跟踪目标为：其中，rdm(z)和rqm(z)分别为d轴和q轴的跟踪目标，ed(z)和eq(z)分别为无差拍控制下d轴和q轴的跟踪误差，Ki表示积分器增益，跟踪误差满足：前述的永磁同步发电机电流误差的闭环控制方程为：其中，e'd(z)和e'q(z)分别为d轴和q轴的闭环跟踪误差。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术改进无差拍控制利用反馈量实现了对电机电流的超前一拍估计，削弱了数字控制滞后一拍对系统动态性能的影响，显著改善了传统无差拍控制中的超调与振荡问题，提高了电流跟踪的动态性能；(2)本专利技术在改进无差拍控制的参考电流中引入电流跟踪误差的积分补偿，提高了电流跟踪的稳态精度；而且积分补偿的设计相比于传统PI控制器的设计也大为简化，仅需要设计一个参数便可以完成控制器的设计。附图说明图1为基于PWM整流器的PMSG系统图；(a)系统框图；(b)双环控制结构图；图2为传统无差拍控制与改进无差拍控制的电流闭环跟踪特性对比；图3为基于积分参考补偿的改进无差拍控制图；图4为引入积分补偿后跟踪误差与参考电流的频率响应图；图5为引入积分补偿后输出电流与参考电流的频率响应图。具体实施方式下面对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本专利技术提供一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，包含以下步骤：步骤1：建立传统无差拍控制从PMSG的数学模型可以看出，其dq轴电流方程之间存在耦合，一般在实际工程中会采用状态反馈策略来消除耦合项，即d轴电流控制律为：ud＝ud0+ud1，其中，ud0是d轴电流控制器的输出电压，ud1是用于消除耦合的补偿项，满足ud1＝-ωeLqiq；类似地，q轴电流控制律也可以设计为：uq＝uq0+uq1，其中，uq0是q轴电流控制器的输出电压，而uq1＝ωeLdid+ωeψf是q轴电流的补偿项，其中，ωe为电机电角速度，Ld，Lq分别为电机d轴，q轴电感，id，iq分别为电机d轴，q轴电流。因此，状态反馈补偿消除了PMSG的dq轴电流耦合，对于电流控制器而言，被控对象变成了两个独立的电流方程，从而降低了控制器的设计复杂度，即：其中，R为电机定子电阻，t为时间。在得到了PMSG解耦电流模型的基础上，运用前向差分法，即可得到PMSG的差分方程，其形式为：其中，k为k节拍，ud0(k)和uq0(k)分别为k节拍时d轴和q轴电流控制器输出电压，Id(k)和Iq(k)分别为k节拍时同步发电机d轴和q轴的电流，Id(k+1)和Iq(k+1)分别为k+1节拍时同步发电机d轴和q轴的电流，Ts为控制周期。传统无差拍控制器的设计目标为在下一拍实现对参考电流的跟踪，即：Id(k+1)＝Idref(k)Iq(k+1)＝Iqref(k)，其中，Idref与Iqref分别为同步发电机d轴和q轴的参考电流。根据PMSG电流差分模型，可以直接得出传统无差拍控制的差分方程表达式：在式(3)的作用下，系统可以实现对参考电流的一拍跟踪，即在z域的方程式满足：Id(z)＝z-1Idref(z)，Iq(z)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立传统无差拍永磁同步发电机电流控制模型；2)利用反馈量对电流超前一拍进行估计，设计改进的无差拍永磁同步发电机电流控制模型；3)设计基于参考电流信号中引入电流跟踪误差的跟踪目标，得到永磁同步发电机电流误差的闭环控制方程。

【技术特征摘要】
1.一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立传统无差拍永磁同步发电机电流控制模型；2)利用反馈量对电流超前一拍进行估计，设计改进的无差拍永磁同步发电机电流控制模型；3)设计基于参考电流信号中引入电流跟踪误差的跟踪目标，得到永磁同步发电机电流误差的闭环控制方程。2.根据权利要求1所述的一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，其特征在于，所述步骤1)具体过程如下：11)采用状态反馈补偿发电机d轴和q轴的电流耦合，得到d轴和q轴电流控制器输出方程：其中，ud0和uq0分别是d轴和q轴电流控制器的输出电压，id和iq分别是同步发电机d轴和q轴电流，Ld和Lq分别为同步发电机d轴和q轴的电感，R为电机定子电阻，t为时间；12)运用前向差分法，得到永磁同步发电机的电流差分模型：其中，k为k节拍，ud0(k)和uq0(k)分别为k节拍时d轴和q轴电流控制器的输出电压，Id(k)和Iq(k)分别为k节拍时同步发电机d轴和q轴电流，Id(k+1)和Iq(k+1)分别为k+1节拍时同步发电机d轴和q轴的电流，Ts为控制周期；13)传统无差拍控制器的设计目标为在下一拍实现对参考电流的跟踪，即：Id(k+1)＝Idref(k)Iq(k+1)＝Iqref(k)，其中，Idref与Iqref分别为同步发电机d轴和q...

【专利技术属性】
技术研发人员：李军，王成亮，徐妍，程健林，
申请(专利权)人：江苏方天电力技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32