一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制系统及方法，系统包括机侧PWM模块、机侧控制模块、启动电机PMSM模块和测量模块；机侧PWM模块、启动电机PMSM模块和测量模块依次连接，测量模块通过机侧控制模块与机侧PWM模块连接；机侧控制模块包括改进ADRC模块，改进ADRC模块包括基于Kalman滤波的改进状态观测器模块，基于Kalman滤波的改进状态观测器模块包括Kalman滤波器模块。本发明专利技术通过引入Kalman滤波器模块，对飞轮储能机侧控制系统的反馈转速进行滤波，使得转速以更小的速度损失且在短时间内迅速恢复为标准值，当转速发生变化时，能快速准确的跟踪转速变化，实现转速的最优控制。最优控制。最优控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及飞轮储能控制
，具体涉及一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制系统及方法。

技术介绍

[0002]飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术，是近年来出现的具有较大发展前景的储能技术。飞轮储能系统通常包含飞轮、电机和轴承三个主要组成部分。永磁同步电机(PMSM)损耗小、效率高、性能优越，选用PMSM作为电机组件，可同时实现电动机和发电机功能。当“充电”时，PMSM作为电动机为飞轮加速，将电能转换为机械能储存；当“放电”时，PMSM作为发电机将机械能转换为电能。因此，针对PMSM的转速控制是飞轮储能系统的关键技术。然而，永磁同步电机是一个强耦合、多变量以及非线性的被控对象。加之负载对象也存在着负载扰动和转动惯量变化等不确定性，飞轮储能系统的应用环境中存在各种干扰，因此提高飞轮储能系统运行控制稳定性的相关问题亟待解决。飞轮储能机侧控制方法通过对PMSM的转速进行控制，提高PMSM速度的控制精度，达到提高飞轮储能系统控制稳定性的目的。
[0003]PMSM速度控制中，传统的PID控制方法由于原理简单、易于操作，因此仍然被广泛应用。但是，传统的PID控制存在自身的缺点，对非线性、强耦合、大时滞等特性的对象控制效果不理想，对于不同的控制对象，需要调整不同的控制参数且调节不便、抗扰动能力不理想、超调较大和对整个系统参数的抗扰动性不强等。传统PID的控制策略应用于PMSM会使其转速产生较大的波动和超调，而电机的拖动对象飞轮其转速较快，在这种转速的波动下，会导致飞轮发生高频的抖动，严重时导致系统失稳。
[0004]针对PID控制技术的缺陷，近年来自抗扰控制(ADRC)技术被广泛应用于各种控制环节。ADRC不受控制对象的约束，通过实时估计总扰动量来对系统给予适当的补偿，从而减少飞轮储能系统中输出转矩的超调并使其快速收敛，在转速的突变中也有一定成效，但是ADRC仍然存在着转速波动较大且到达稳定的时间较长，输出电流不稳定、杂波成分较多，转速变速时不平稳等缺点，改进的ADRC利用Kalman滤波器在时域上采用递推算法对随机信号进行滤波处理的优势，通过量测噪声协方差和过程噪声协方差对于转速信号的不断校准以获得最稳定以及精准的转速反馈信号，使得电机达到降低稳态误差、减少转速波动、稳定输出电流、增加变速平稳性的目的。但已有研究中尚存在着未考虑系统突变负载时的响应情况、系统的抗扰性能不足等缺点。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有技术中飞轮储能系统突变负载时转速波动大、系统的抗扰性能不足的缺陷，本专利技术公开了一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制系统及方法，通过引入Kalman滤波器模块对测量的转速进行控制，使得转速以更小的速度损失且在短时间内迅速恢复为标准值。当转速发生变化时，能够更加快速准确的跟踪转速变化。
[0006]技术方案：为实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0007]一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制系统，包括机侧PWM模块、机侧控制模块、启动电机PMSM模块和测量模块；所述机侧PWM模块、启动电机PMSM模块和测量模块依次连接，测量模块通过机侧控制模块与机侧PWM模块连接；
[0008]所述机侧PWM模块输入直流电源，输出三相交流电压至启动电机PMSM模块，所述测量模块从启动电机PMSM模块中获取电机由空载至负载时的若干变量的测量值，所述若干变量包括电机的测量转速n、电磁转矩、转子电角度θ和三相电流ia、ib、ic；所述机侧控制模块获取测量模块输出的若干变量值，并将PWM调制信号发送至机侧PWM模块；所述机侧控制模块包括改进ADRC模块，改进ADRC模块包括基于Kalman滤波的改进状态观测器模块，基于Kalman滤波的改进状态观测器模块包括Kalman滤波器模块，通过所述Kalman滤波器模块的动态估计功能，对飞轮储能机侧控制系统的反馈转速进行滤波，实现转速的最优控制。
[0009]优选地，所述机侧控制模块还包括Clark变换模块、Park变换模块、IPark变换模块、解耦计算模块和SVPWM模块；所述改进ADRC模块的输入为测量模块输出的电机的测量转速n，其输出电流分量iq
*
至解耦计算模块；Clark变换模块的输入为测量模块输出的三相电流ia、ib、ic，其输出与Park变换模块连接后，Park变换模块输出d轴电流id和q轴电流iq至解耦计算模块；所述IPark变换模块的输入为测量模块输出的转子电角度θ和解耦计算模块输出的d轴电压Ud和q轴电压Uq，其输出与SVPWM模块连接后，SVPWM模块输出PWM调制信号至机侧PWM模块。
[0010]优选地，所述改进ADRC模块还包括跟踪微分器模块、非线性组合模块和限幅模块，所述跟踪微分器模块的输入为给定转速n
*
，输出为过渡转速Z1；非线性组合模块的输入为观测转速Z2、扰动补偿Z3和过渡转速Z1，输出为控制规律信号u
t
；基于Kalman滤波的改进状态观测器模块的输入为控制规律信号u
t
和测量模块输出的电机的测量转速n，输出为观测转速Z2和扰动补偿Z3；限幅模块的输入为控制规律信号u
t
，输出为电流分量iq
*
。
[0011]优选地，所述基于Kalman滤波的改进状态观测器模块还包括积分模块1、积分模块2、常数k1模块、常数k2模块、增益b模块、fal函数模块、运算1模块、运算2模块和运算3模块；所述控制规律信号u
t
通过增益b模块与运算3模块连接，运算3模块、积分模块1、运算2模块、Kalman滤波器模块、运算1模块和fal函数模块依次连接，测量模块输出的电机的测量转速n输入至运算1模块，积分模块1输出观测转速Z2，fal函数模块与运算2模块连接，fal函数模块通过常数k1模块将运算结果Z6输入至运算3模块，fal函数模块通过常数k2模块将运算结果Z7输入至积分模块2，积分模块2输出扰动补偿Z3，并将扰动补偿Z3输入至运算3模块。
[0012]一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制方法，应用于以上任一所述的一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制系统，飞轮储能机侧控制系统中，电机由空载到负载运行时状态监测和实时控制，包括以下步骤：
[0013]S1、直流电源和PWM调制信号输入至机侧PWM模块中，机侧PWM模块输出三相交流电压UA、UB、UC至启动电机PMSM模块；
[0014]S2、在飞轮储能机侧控制系统中电机由空载到负载运行时，启动电机PMSM模块中电机若干变量变化，测量模块从启动电机PMSM模块中获取电机由空载至负载时的若干变量的测量值，包括电机的测量转速n、电磁转矩、转子电角度θ和三相电流ia、ib、ic；
[0015]S3、电机的测量转速n通过改进ADRC模块计算电流分量iq
*
；
[0016]S4、三相电流ia、ib、ic通过Clark变换模块和Par本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制系统，其特征在于：包括机侧PWM模块、机侧控制模块、启动电机PMSM模块和测量模块；所述机侧PWM模块、启动电机PMSM模块和测量模块依次连接，测量模块通过机侧控制模块与机侧PWM模块连接；所述机侧PWM模块输入直流电源，输出三相交流电压至启动电机PMSM模块，所述测量模块从启动电机PMSM模块中获取电机由空载至负载时的若干变量的测量值，所述若干变量包括电机的测量转速n、电磁转矩、转子电角度θ和三相电流ia、ib、ic；所述机侧控制模块获取测量模块输出的若干变量值，并将PWM调制信号发送至机侧PWM模块；所述机侧控制模块包括改进ADRC模块，改进ADRC模块包括基于Kalman滤波的改进状态观测器模块，基于Kalman滤波的改进状态观测器模块包括Kalman滤波器模块，通过所述Kalman滤波器模块的动态估计功能，对飞轮储能机侧控制系统的反馈转速进行滤波，实现转速的最优控制。2.根据权利要求1所述的一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制系统，其特征在于：所述机侧控制模块还包括Clark变换模块、Park变换模块、IPark变换模块、解耦计算模块和SVPWM模块；所述改进ADRC模块的输入为测量模块输出的电机的测量转速n，其输出电流分量iq
*
至解耦计算模块；Clark变换模块的输入为测量模块输出的三相电流ia、ib、ic，其输出与Park变换模块连接后，Park变换模块输出d轴电流id和q轴电流iq至解耦计算模块；所述IPark变换模块的输入为测量模块输出的转子电角度θ和解耦计算模块输出的d轴电压Ud和q轴电压Uq，其输出与SVPWM模块连接后，SVPWM模块输出PWM调制信号至机侧PWM模块。3.根据权利要求1所述的一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制系统，其特征在于：所述改进ADRC模块还包括跟踪微分器模块、非线性组合模块和限幅模块，所述跟踪微分器模块的输入为给定转速n
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，输出为过渡转速Z1；非线性组合模块的输入为观测转速Z2、扰动补偿Z3和过渡转速Z1，输出为控制规律信号u
t
；基于Kalman滤波的改进状态观测器模块的输入为控制规律信号u
t
和测量模块输出的电机的测量转速n，输出为观测转速Z2和扰动补偿Z3；限幅模块的输入为控制规律信号u
t
，输出为电流分量iq
*
。4.根据权利要求1所述的一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制系统，其特征在于：所述基于Kalman滤波的改进状态观测器模块还包括积分模块1、积分模块2、常数k1模块、常数k2模块、增益b模块、fal函数模块、运算1模块、运算2模块和运算3模块；所述控制规律信号u
t
通过增益b模块与运算3模块连接，运算3模块、积分模块1、运算2模块、Kalman滤波器模块、运算1模块和fal函数模块依次连接，测量模块输出的电机的测量转速n输入至运算1模块，积分模块1输出观测转速Z2，fal函数模块与运算2模块连接，fal函数模块通过常数k1模块将运算结果Z6输入至运算3模块，fal函数模块通过常数k2模块将运算结果Z7输入至积分模块2，积分模块2输出扰动补偿Z3，并将扰动补偿Z3输入至运算3模块。5.一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制方法，应用于如权利要求1-4任一所述的一种基于改进ADRC的飞轮储能机侧控制系统，其特征在于，飞轮储能机侧控制系统中，电机由空载到负载运行时状态监测和实时控制，包括以下步骤：S1、直流电源和PWM调制信号输入至机侧PWM模块中，机侧PWM模块输出三相交流电压UA、UB、UC至启动电机PMSM模块；S2、在飞轮储能机侧控制系统中电机由空载到负载运行时，启动电机PMSM模块中电机若干变量变化，测量模块从启动电机PMSM模块中获取电机由空载至负载时的若干变量的测量值，包括电机的测量转速n、电磁转矩、转子电角度θ和三相电流ia、ib、ic；
S3、电机的测量转速n通过改进ADRC模块计算电流分量iq
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；S4、三相电流ia、ib、ic通过Clark变换模块和Park变换模块输出d轴电流id和q轴电流iq；电流分量iq
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、d轴电流id和q...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏伟，杨婷，陈黎来，孙琦，姚玉婷，王文旭，饶赛，徐兴浩，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：