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      永磁同步發(fā)電機模型預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制方法研究

      2020-07-22 09:50:52劉國聯(lián)
      通信電源技術(shù) 2020年9期
      關(guān)鍵詞:磁鏈觀測器控制算法

      劉國聯(lián)

      (湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 株洲 412000)

      0 引 言

      目前,常用的幾種永磁同步放電機(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)的作業(yè)原理主要依靠直接扭矩控制和矢量控制[1-2]。相比之下,前者更為容易實現(xiàn),所以如何合理應(yīng)用算法提高電機直接轉(zhuǎn)矩控制預(yù)測精準(zhǔn)度成為了重點研究內(nèi)容[3]。

      1 PMSG傳統(tǒng)控制算法分析

      1.1 傳統(tǒng)控制算法概述

      傳統(tǒng)控制算法建立在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上,模型如下:

      其中,id和iq分別代表定子電流在電機同步旋轉(zhuǎn)過程中沿著d坐標(biāo)系、q坐標(biāo)系方向產(chǎn)生的分量;ψq和ψd分別代表定子磁鏈沿著d坐標(biāo)系、q坐標(biāo)系方向產(chǎn)生的分量;uq和ud分別代表定子電壓在電機同步旋轉(zhuǎn)過程中沿著d坐標(biāo)系、q坐標(biāo)系方向產(chǎn)生的分量;k代表電機運行時刻;ψf代表永磁體磁鏈;Lq和Ld分別代表位于q軸和d軸的電感;np代表電機極對數(shù);x(k+1)代表電機在k+1時刻下作業(yè)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變量。A、B、C均為矩陣,用于確定同步轉(zhuǎn)速、采樣周期等參數(shù)。在實際應(yīng)用中,此算法暴露出動彈響應(yīng)慢等問題。

      1.2 傳統(tǒng)控制算法缺點

      依據(jù)前文概述可知,PMSG傳統(tǒng)控制算法需要建立在同步坐標(biāo)系上計算轉(zhuǎn)矩控制數(shù)據(jù)。該算法在先后改進過程中,分別暴露出計算量大問題、電壓矢量變化依附性問題。從理論層面分析,后者計算量有所減少,符合電機轉(zhuǎn)矩控制計算預(yù)測需求,但是7個電壓矢量的變化,同樣增加了算法運算量,對電機動態(tài)響應(yīng)速度的提升幫助不大[4]。在實踐應(yīng)用中,傳統(tǒng)控制算法參數(shù)依賴性過強,并且存在嚴(yán)重的魯棒性。因此,改進PMSG控制算法策略仍需深入探究。

      2 PMSG控制算法的改進

      2.1 算法改進總體方案

      對于傳統(tǒng)控制算法存在的不足,本文利用全階滑模觀測器,對算法進行了改進,在靜態(tài)坐標(biāo)系上形成了新的控制算法體系,即MP-DTC控制算法。圖1為MP-DTC控制算法框圖。

      圖1 MP-DTC控制算法框圖

      圖1中設(shè)定了兩種電機控制模式,模式Ⅰ相對簡單,通過計算定子磁鏈參考值,構(gòu)建目標(biāo)函數(shù),在網(wǎng)側(cè)變流器和機側(cè)變流器作用下,對PMSG作業(yè)控制進行預(yù)測。模式Ⅱ在對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈進行預(yù)測的同時,增加了靜置坐標(biāo)系的預(yù)測,引入全階滑模觀測器進行處理,形成新的目標(biāo)函數(shù),同樣網(wǎng)側(cè)變流器和機側(cè)變流器作用下完成預(yù)測。該控制算法不依賴參數(shù)設(shè)置,兩種模式應(yīng)用在不同情況下預(yù)測,不僅可以彌補傳統(tǒng)算法的不足,還可以盡可能減少計算量,提高動態(tài)響應(yīng)速度。

      2.2 全階滑模觀測器的應(yīng)用

      本文提出改進算法的核心為全階滑模觀測器,利用該設(shè)備觀測電機的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈。通過分析電機作業(yè)原理中的等效電動勢特點,在靜止坐標(biāo)系上構(gòu)建預(yù)測模型。

      其中,eα和eβ均為等效反電動勢;D代表微分算子。

      關(guān)于全階滑模觀測器的構(gòu)建,本文直接引用研究比較成熟的模型體系,即文獻[4]的全階滑模觀測器。利用符號函數(shù),計算觀測器的增益等參數(shù)數(shù)值,估算等效反電動勢,代入公式(4)進行計算,能夠得到電機正常作業(yè)下的定子磁鏈預(yù)算值。

      關(guān)于電機正常作業(yè)下的電磁轉(zhuǎn)矩預(yù)測計算公式如下:

      其中,代表電磁轉(zhuǎn)矩預(yù)測結(jié)果。

      2.3 靜止坐標(biāo)系預(yù)測方案

      本文采用前向歐拉算法,對靜止坐標(biāo)系上的預(yù)測模型,即式(3)采取離散化處理,通過調(diào)節(jié)電纜和電阻2個參數(shù)數(shù)值,以減小外界因素影響,使得預(yù)測精準(zhǔn)度得以提升。將預(yù)測得到的轉(zhuǎn)矩數(shù)值和定子磁鏈數(shù)值代入公式(6)中,得到電機的最優(yōu)電壓矢量。

      將最優(yōu)電壓矢量作用于逆變器,從而實現(xiàn)PMSG預(yù)測控制。該算法功能實現(xiàn)具體流程如下。

      第一步:構(gòu)建滑膜觀測器模型,根據(jù)當(dāng)前PMSG正常作業(yè)情況下各項參數(shù)數(shù)值,計算反電動勢。

      第二步:對靜止坐標(biāo)系下的模型采取離散化處理,結(jié)合反電動勢數(shù)據(jù),預(yù)測電機運行k+1時刻下的定子電流數(shù)值。

      第三步:依據(jù)反電動勢和定子電流數(shù)值,計算同一時刻下的定子磁鏈。

      第四步:采用電壓矢量選擇方法,依據(jù)電壓分量和電壓矢量,預(yù)測下一個時刻的分量等參數(shù)值。

      第五步:將第四步的計算結(jié)果代入式(5)中,得到電磁轉(zhuǎn)矩預(yù)測結(jié)果。每一組數(shù)值預(yù)測方法相同,根據(jù)矢量組別劃分情況,得到相應(yīng)組數(shù)的預(yù)測結(jié)果。

      第六步:將前兩個步驟計算得到的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈結(jié)果代入目標(biāo)函數(shù)中,求取目標(biāo)函數(shù)值最小情況下的電壓矢量。

      第七步:將第六步計算結(jié)果作為電機作業(yè)的最優(yōu)矢量,以此控制PMSG。

      通常情況下,備選的電壓矢量數(shù)值為4個或者7個,需要根據(jù)實際情況計算數(shù)值,得到最優(yōu)矢量。

      3 測試分析

      3.1 測試參數(shù)的設(shè)定

      本文將兩種算法均應(yīng)用至PMSG控制中,通過模擬仿真應(yīng)用結(jié)果,得出判斷結(jié)論。表1為永磁同步發(fā)電機測試參數(shù)的設(shè)定情況。

      表1 永磁同步發(fā)電機測試參數(shù)的設(shè)定

      按照表1中方案設(shè)定PMSG參數(shù),分別開展轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測量實驗。其中,轉(zhuǎn)矩的測量實驗是對參數(shù)突增情況下傳統(tǒng)算法與改進算法穩(wěn)定性能進行測試,轉(zhuǎn)速測量實驗是對傳統(tǒng)算法與改進算法動態(tài)響應(yīng)耗時進行測試。

      3.2 測試結(jié)果分析

      按照設(shè)計的測試方案,分別對參數(shù)突增情況下傳統(tǒng)算法與改進算法穩(wěn)定性能、傳統(tǒng)算法與改進算法動態(tài)響應(yīng)耗時進行測試,得到圖2和圖3對比實驗測試結(jié)果。

      圖2左側(cè)圖為傳統(tǒng)算法應(yīng)用下的PMSG的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性能測試結(jié)果,右側(cè)圖為本文提出改進算法應(yīng)用下的PMSG的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性能測試結(jié)果。通過對比生成的穩(wěn)定性能曲線可知,本文提出的改進算法轉(zhuǎn)矩測量穩(wěn)定性更高一些,生成結(jié)果更加可靠。

      圖3左側(cè)圖為傳統(tǒng)算法應(yīng)用下的PMSG的軟件執(zhí)行時間,右側(cè)圖為本文提出改進算法應(yīng)用下的PMSG的軟件執(zhí)行時間。很明顯,改進后的算法軟件執(zhí)行耗時較短,上升沿代表作業(yè)狀態(tài),改進后的算法軟件執(zhí)行耗時縮減了24.4 μs,動態(tài)響應(yīng)更加靈活。

      圖2 參數(shù)突增情況下傳統(tǒng)算法與改進算法穩(wěn)定性能測試結(jié)果

      圖3 傳統(tǒng)算法與改進算法軟件執(zhí)行時間對比圖

      4 結(jié) 論

      本文以永磁同步發(fā)電機作為研究對象,針對傳統(tǒng)算法在預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制方面存在的動態(tài)響應(yīng)不夠靈活、轉(zhuǎn)矩測量不夠穩(wěn)定問題,引入全階滑模觀測器,提出新的預(yù)測算法。測試結(jié)果表明,改進后的算法達到提高了轉(zhuǎn)矩測量穩(wěn)定性及靈活性,可以作為PMSG轉(zhuǎn)矩控制預(yù)測工具。

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