考虑电气损耗的定子电流矢量定向下柔性负载振动及PMSM转矩脉动综合抑制方法技术

考虑电气损耗的定子电流矢量定向下柔性负载振动及PMSM转矩脉动综合抑制方法，所述控制方法首先基于PMSM最小损耗数学模型推导出最小损耗条件下的定子电流约束条件。随后将PMSM在电流矢量定向下的动态数学模型与永磁同步电机的振动模型相结合，建立了考虑电机电气损耗的永磁同步电机驱动永磁同步电机的整体数学模型。推导出永磁同步电机STS振动、电气损耗和转矩脉动综合控制的约束条件。然后，基于反推控制原理，在I/f控制框架下提出了一种考虑电气损耗的定子电流矢量定向下柔性负载振动及PMSM转矩脉动综合抑制方法(简称：闭环I/f综合控制方法)。为了准确获取速度信号，本发明专利技术同时设计了一种基于最小二乘法的PMSM速度辨识算法。仿真和实验证明，所提出的闭环I/f综合控制方法能够使状态变量快速、准确地跟踪各自的参考值，有效地抑制了转矩脉动和负载振动，提高了系统的运行效率。

【技术实现步骤摘要】
考虑电气损耗的定子电流矢量定向下柔性负载振动及PMSM转矩脉动综合抑制方法
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
对于现代电力系统而言，大量新的可再生能源接入电网已成为一种普遍趋势。新可再生能源的间歇性和不可控性将对现有电力网络的基本运行规律产生不利影响，发展储能技术迫在眉睫。涡卷弹簧(spiraltorsionspring，STS)具有储能大、功率密度高、寿命长等特点，将STS运用到储能领域得到了广泛的关注和研究。永磁同步电机(permanentmagnetsynchronousmotor，PMSM)具有结构简单、转矩惯性比大、损耗小等优点，被选为储能时的驱动电机。PMSM驱动柔性负载STS储能时，涡簧受到外力并绕入主轴会引起一系列频率较低并具有相当幅度的机械共振；同时由于电机结构设计的非理想、气隙磁场的畸变和逆变器的非线性等原因，永磁同步电机的转矩存在较大的脉动。二者都将对机组的稳定运行造成不利影响。另一方面，当下能源紧缺问题日益突出，电机的运行效率主要取决于对电机损耗的控制情况，忽略阻尼绕组时，PMSM的损耗包含铁损耗、铜损耗和机械损耗。因此，减小PMSM运行损耗，对提高电机控制性能和节约能源有着重要的意义。现有关于这三个问题的研究大多都是单一的，但事实上这三个问题将相互耦合，互相影响。因此，将这三个问题纳入统一的框架进行研究，对强化机组运行稳定性，提高运行效率有着重要意义。
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，做出两点创新：一是提出了一种考虑电气损耗的定子电流矢量定向下柔性负载振动及PMSM转矩脉动综合抑制方法(简称：闭环I/f综合控制方法)以实现对柔性负载振动、PMSM转矩脉动及PMSM电气损耗的综合控制。二是设计了一种基于最小二乘法的PMSM速度辨识方法以实现对PMSM转速的跟踪。本专利技术所述的问题是由以下技术方案实现的：考虑电气损耗的定子电流矢量定向下柔性负载振动及PMSM转矩脉动综合抑制方法，所述控制方法为：首先基于PMSM最小损耗数学模型推导出最小损耗条件下的定子电流约束条件：然后将PMSM在电流矢量定向下的动态数学模型与永磁同步电机的振动模型相结合，建立了考虑电机电气损耗的永磁同步电机驱动永磁同步电机的整体数学模型：其中：usd*和usq*分别为d*轴和q*轴的定子电压；np为转子的极对数；ψr为永磁体励磁空间矢量；ωr为转子角速度；θL为q*轴与d轴间的夹角；θr为转子转过的角度；ωi为定子电流矢量is的旋转机械角速度；η1为STS的一阶模态；Rs为定子电阻；Lq*为q*轴的定子电感；is为定子电流；E为STS的弹性模量；I为STS的截面惯性矩，I＝bh3/6；ρ，b和h分别为STS的密度，宽度和厚度；φ(x)为STS的模态方程；Tsp为负载转矩，Te为电磁转矩。基于反推控制原理，得到PMSM各参数及电压控制方程为：随后基于PMSM磁共能模型下的电磁转矩方程，建立了保证转矩脉动最小化时的最优定子谐波电流的约束条件：其中：is0为基波电流幅值；λ0为d轴平均磁链；λdk和λqk为d、q轴第k次磁链谐波分量；Isk为优化前k次谐波电流幅值；k为谐波次数；Tck为齿槽转矩第k次谐波的幅值。基于反推控制原理，谐波控制方程为：其中：usqk*为q*轴的定子k次谐波电压分量；Rs为定子电阻；isk定子电流k次谐波电流幅值ψr为永磁体励磁空间矢量；ωr为转子角速度；Lq*为q*轴的定子电感；θL为q*轴与d轴间的夹角；np为转子的极对数；最后，得到实现考虑电气损耗的PMSM转矩脉动抑制的控制器为：准确获取速度信号是实现PMSM控制算法的基础，对于基于最小二乘算法的PMSM宽范围速度辨识方法，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，对定子电流矢量定向下定子电压方程进行离散化处理，得到：其中：为转速的估计值，为待辨识的参数向量，L(n)为n时刻的增益向量，P(n)为n时刻的协方差矩阵，为n时刻的信息向量，y(n)为系统的输出向量，Ts为采样周期，n为采样点。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。本专利技术设计控制器以实现对柔性负载振动、PMSM转矩脉动和电气损耗的综合控制，同时对PMSM转速进行辨识以获得速度信号增强控制器的稳定性。试验结果表明：在提出的闭环I/f综合控制方法的作用下，电机的各参数运行，柔性负载的振动及PMSM中转矩脉动得到有效抑制，同时电气损耗明显减小。对于低、中、高情况下的转速，均能做到准确地跟踪辨识，实现PMSM的全速跟踪。附图说明图1为PMSM的d轴等效电路；图2为PMSM的q轴等效电路；图3为PMSM直接驱动涡簧的结构示意图；图4为PMSM空间矢量图；图5为闭环I/f控制器的整体控制框图；图6为PMSM闭环I/f综合控制方法下的矢量夹角θL波形；图7为PMSM闭环I/f综合控制方法下的转速ωr波形；图8为PMSM闭环I/f综合控制方法下的基波电流幅值is0波形；图9为PMSM加入闭环I/f综合控制方法前后转矩脉动δT波形；图10为PMSM分别为闭环I/f综合控制器和不考虑最优损耗条件的反推控制器作用下总损耗Ploss的对比波形；图11为PMSM闭环I/f综合控制方法下转速突变的矢量夹角θL波形；图12为PMSM闭环I/f综合控制方法下转速突变的转速ωr波形；图13为PMSM闭环I/f综合控制方法下转速突变的基波电流幅值is0波形；图14为PMSM闭环I/f综合控制方法下转速突变的转矩脉动δT波形；图15为PMSM转速转矩突变时闭环I/f综合控制器和不考虑最优损耗条件的反推控制器的作用下总损耗Ploss的对比波形；图16为PMSM从静止状态启动至额定转速的辨识波形。文中各符号为：E为STS的弹性模量；I为STS的截面惯性矩，I＝bh3/6；ρ，b，h和L为涡簧的长度分别为STS的密度，宽度，厚度和长度；φ(x)为STS的模态方程；η(t)为模态坐标；Sp为涡簧单位长度截面积，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；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能；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；Rs为定子电阻；iwd和iwq为定子电流在dq轴上的有功分量；isd和isq为定子电流在dq轴上的分量；icd和icq为定子电流在dq轴上的铁耗分量；Ld、Lq为定子绕组在dq轴上的等效电感；usd、usq为定子电压在dq轴上的分量；Rc为等效铁耗电阻；isd*和isq*分别为d*轴和q*轴的定子电流；usd*和usq*分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.对于考虑电气损耗的定子电流矢量定向下柔性负载振动及PMSM转矩脉动综合抑制方法，所述控制方法为：/n首先基于PMSM最小损耗数学模型推导出最小损耗条件下的定子电流约束条件：/n

【技术特征摘要】
1.对于考虑电气损耗的定子电流矢量定向下柔性负载振动及PMSM转矩脉动综合抑制方法，所述控制方法为：
首先基于PMSM最小损耗数学模型推导出最小损耗条件下的定子电流约束条件：



然后将PMSM在电流矢量定向下的动态数学模型与永磁同步电机的振动模型相结合，建立了考虑电机电气损耗的永磁同步电机驱动永磁同步电机的整体数学模型：



其中：和分别为d*轴和q*轴的定子电压；np为转子的极对数；ψr为永磁体励磁空间矢量；ωr为转子角速度；θL为q*轴与d轴间的夹角；θr为转子转过的角度；ωi为定子电流矢量is的旋转机械角速度；η1为STS的一阶模态；Rs为定子电阻；为q*轴的定子电感；is为定子电流；E为STS的弹性模量；I为STS的截面惯性矩，I＝bh3/6；ρ，b和h分别为STS的密度，宽度和厚度；φ(x)为STS的模态方程；Tsp为负载转矩，Te为电磁转矩；
基于反推控制原理，得到PMSM各参数及电压控制方程为：



随后基于PMSM磁共能模型下的电磁转矩方程，建立了保证转矩脉动最小化时的最优定子谐波电流的约束条件：



其中：is...

【专利技术属性】
技术研发人员：余洋，从乐瑶，谢仁杰，田夏，卢健斌，
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