一种降低永磁同步发电机系统直流侧电压波动的控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种降低永磁同步发电机系统直流侧电压波动的控制方法，针对永磁同步发电机系统在传统双闭环控制下，负载变化时输出电压波动大，动态响应慢等问题，提出一种基于超螺旋算法的负载电流扰动观测器，并将扰动观测器观测所得的扰动量前馈至电压外环的输出端，以提高输出电压对负载变化的抗扰能力。此外，为保证系统的跟随性与鲁棒性采用基于内模控制原理的二自由度PI控制器替换传统的电压外环PI控制器。本发明专利技术所提的控制方法无需增加额外硬件成本，且控制原理简单，较传统的双闭环控制具有更好的动态性能和抗负载扰动的能力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种降低永磁同步发电机系统直流侧电压波动的控制方法


[0001]本专利技术涉及永磁同步发电机
，主要涉及一种降低永磁同步发电机系统直流侧电压波动的控制方法。

技术介绍

[0002]随着永磁材料和电力电子技术的不断进步，永磁同步电机的性能得到大幅提升，与电励磁同步发电机和双馈感应发电机等电机相比，永磁同步发电机具有功率密度高、体积小、重量轻等优点，在风力发电机组、飞轮储能、特种车辆、军舰船舶和微型燃气轮机等场合得到了广泛的应用。以永磁同步发电机为核心的PWM整流发电系统应具备单机情况下向系统负载提供电源支撑的能力，这对永磁同步发电系统输出电压的质量提出了更高的要求。
[0003]目前，应用最为广泛的电压电流双闭环控制，其输出电压随负载变化而波动，控制性能差。为抑制电压波动，改善发电机的性能，最直接的办法就是增大控制器的增益。但控制增益的增大会导致系统稳定性降低，难以达到理想的控制效果，而二自由度控制可以解决系统稳定性与鲁棒性之间的矛盾，一定程度上增加系统的抗扰能力。此外，一些先进的控制算法如非线性滑模控制、模型预测控制和前馈控制等被提出用以提高发电机的性能。其中，前馈补偿成为一种简单易行的方法。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供了一种降低永磁同步发电机系统直流侧电压波动的控制方法，针对传统双闭环控制在负载变化时输出电压波动大，动态响应慢等问题，提出基于超螺旋算法的扰动观测器，构建以负载电流为扰动量的观测模型，并将扰动量前馈至电压外环的输出端，以提高输出电压对负载变化的抗扰能力。进一步的，为提高系统跟随性与鲁棒性，电压外环采用基于内模控制原理的二自由度PI控制器。
[0005]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种降低永磁同步发电机系统直流侧电压波动的控制方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1、根据永磁同步发电机的功率平衡方程，构建以负载电流为扰动量的基于超螺旋算法的扰动观测器，将扰动观测值经变换后得到前馈值
[0008]步骤S2、设计基于内模控制原理的二自由度电压外环PI控制器，以获得电压外环输出值
[0009]步骤S3、将步骤S1得到的前馈值前馈至二自由度电压外环PI控制器的输出端，并与步骤S2得到的电压外环输出值合并运算后得到q轴电流给定值将q轴电流给定值输入内环，以抑制负载变化引起的电压波动。
[0010]进一步的，所述永磁同步发电机系统包括永磁同步发电机、PWM桥式整流器、实时
采集转子位置信号的霍尔传感器、扰动观测器、电流传感器和电压传感器；所述永磁同步发电机与所述PWM桥式整流器连接，实现三相交流电到直流电的变换；所述电流传感器用于测量三相电流，经坐标变换后得到q轴电流i
q
和d轴电流i
d
，q轴电流i
q
与给定值比较后经PI调节器输出q轴电压u
q
，d轴电流i
d
与给定值比较后经PI调节器输出d轴电压u
d
；所述电压传感器用于测量直流侧电压u
dc
，经二自由度PI控制器输出q轴电流给定值所述扰动观测器用于观测负载电流的变化，并将观测器输出的观测值经变换后前馈至电压外环的输出端。
[0011]进一步的，所述基于超螺旋算法的扰动观测器设计如下：
[0012]直流侧电压的状态方程为：
[0013][0014]式中：为直流侧电压给定值；P
loss
为电阻与电感所消耗的功率；ω
e
为电机的电角速度；ψ
f
为转子磁链；i
q
为q轴电流；i
L
为负载电流；C为直流侧电容；
[0015]将负载电流视为系统的扰动得：
[0016][0017]式中：d为系统的负载扰动，
[0018]将直流侧电压u
dc
和负载扰动d作为状态变量，q轴电流i
q
作为系统的输入，可得：
[0019][0020]式中：ζ(t)为负载扰动的变化率；
[0021]将直流侧电压u
dc
和负载扰动d作为观测对象，将扰动观测器设计为：
[0022][0023]观测器的误差为：
[0024][0025]式中：为直流侧电压观测误差；为负载扰动观测误差，g为扰动观测器的增益；υ为控制律。
[0026]进一步的，设计的滑模变量为：
[0027][0028]设计的控制率为：
[0029][0030]式中：sgn(s)为符号函数；k1、k2为待设计的增益；v为状态变量。
[0031]进一步的，所述基于内模控制原理的二自由度电压外环PI控制器设计如下：
[0032][0033]式中，C1(s)和C2(s)分别用来调节系统的跟随性能与抗扰性能，G
n
(s)为控制对象；
[0034]Q1(s)和Q2(s)设计为：
[0035][0036]式中：L1(s)和L2(s)为低通滤波器，其表达式如下所示：
[0037][0038]根据永磁同步发电机特征，设计滤波器如下：
[0039][0040]因此，控制器C1(s)和C2(s)的表达式如下：
[0041][0042]式中，T0＝L
q
/k
ip
，k0＝3e/(2U
dc
C)，λ1和λ2为系统可调参数；其中λ1用来调节系统跟随性，λ2用来调节系统抗扰性。
[0043]进一步的，所述前馈值计算如下：
[0044][0045]进一步地，q轴电流的给定值由两部分组成，第一部分为电压外环输出第二部分为扰动观测器的前馈值
[0046]进一步地，理论上电压外环输出值应为零。
[0047]有益效果：
[0048](1)本专利技术提供的一种降低永磁同步发电机系统直流侧电压波动的控制方法，采用基于超螺旋算法的扰动观测器能够减小观测器的抖振，提高观测精度。
[0049](2)本专利技术设计的基于内模控制原理的二自由度电压外环PI控制器能够在一定程度上提高系统的跟随性与鲁棒性。
[0050](3)本专利技术提供的一种降低永磁同步发电机系统直流侧电压波动的控制方法，算法实现简单、系统结构简单，能够提高系统动态性能和抗负载扰动的能力。
附图说明
[0051]图1是本专利技术提供的一种降低永磁同步发电机系统直流侧电压波动的控制方法原理框图；
[0052]图2是基于超螺旋算法的扰动观测器原理框图。
具体实施方式
[0053]下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0054]本专利技术提供的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低永磁同步发电机系统直流侧电压波动的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、根据永磁同步发电机的功率平衡方程，构建以负载电流为扰动量的基于超螺旋算法的扰动观测器，将扰动观测值经变换后得到前馈值步骤S2、设计基于内模控制原理的二自由度电压外环PI控制器，以获得电压外环输出值步骤S3、将步骤S1得到的前馈值前馈至二自由度电压外环PI控制器的输出端，并与步骤S2得到的电压外环输出值合并运算后得到q轴电流给定值将q轴电流给定值输入内环，以抑制负载变化引起的电压波动。2.根据权利要求1所述的一种降低永磁同步发电机系统直流侧电压波动的控制方法，其特征在于，所述基于超螺旋算法的扰动观测器设计如下：直流侧电压的状态方程为：式中：为直流侧电压给定值；P
loss
为电阻与电感所消耗的功率；ω
e
为电机的电角速度；ψ
f
为转子磁链；i
q
为q轴电流；i
L
为负载电流；C为直流侧电容；将负载电流视为系统的扰动得：式中：d为系统的负载扰动，将直流侧电压u
dc
和负载扰动d作为状态变量，q轴电流i
q
作为系统的输入，可得：式中：ζ(t)为负载扰动的变化率；将直流侧电压u<...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷生晶，王晓琳，李紫佳，陆万桂，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：