[发明专利]一种基于模型预测控制的风电磁悬浮偏航电机控制方法

权利要求书

1.一种基于模型预测控制的风电磁悬浮偏航电机控制方法，所述风电磁悬浮偏航电机为一种隐极式同步盘式电机，包括定子、转子、悬浮架、负载平台、气隙传感器；所述定子与所述转子相对上下垂直同心放置；所述转子与所述悬浮架固定；所述悬浮架还与所述负载平台固定；所述负载平台与风电机组的机舱固定；所述气隙传感器与所述转子固定；所述定子包括定子铁心和三相绕组，所述三相绕组与定子变流器连接；所述转子包括转子铁心和直流励磁绕组，所述直流励磁绕组与转子变流器连接；所述转子、气隙传感器、悬浮架、负载平台及风电机组的机舱统称为悬浮物；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，当风向改变需要偏航时，首先由所述转子变流器根据磁悬浮偏航电机的悬浮动态数学模型，采用模型预测控制策略，控制转子电流，使磁悬浮偏航电机的转子向上悬浮至并保持在悬浮平衡点处，具体方法是：

1-1)建立磁悬浮偏航电机的悬浮动态数学模型：

所述磁悬浮偏航电机转子直流励磁绕组通电以后，所述悬浮物在垂直方向上将受到向上的悬浮吸力F(I_r,δ)、向下的悬浮物重力mg和外界扰动力f_d(t)，于是有垂直方向上的力学方程：

式中，m为悬浮物质量，g为重力加速度；δ为所述转子和定子之间的悬浮气隙，为悬浮气隙δ对时间t的二阶导数，即悬浮物的加速度；I_r为转子电流，k₁＝μ₀N²S/4，其中，μ₀为真空磁导率，N为所述转子直流励磁绕组的匝数，S为所述转子铁心的磁极表面有效面积；

同时所述转子的电压方程为：

式中，U_r为转子电压，R_r为转子电阻，ψ_r为转子磁链，L_r为转子直流励磁绕组的电感，且有L_r＝2k₁/δ，为悬浮气隙δ对时间t的一阶导数，即悬浮物速度；

综上可得所述磁悬浮偏航电机的悬浮动态数学模型：

1-2)令x₁＝δ，x₃＝I_r，代入式(2)，整理可得所述磁悬浮偏航电机的悬浮状态空间方程为：

1-3)对式(3)的左边采用前向差分欧拉方程作数值近似，可得：

式中，x_i(k)为变量x_i在k时刻的值，i＝1，2，3，T为采样周期；

1-4)将式(4)应用于式(3)，可得到下一时刻悬浮物速度x₂的预测值和转子电流x₃的预测值：

式中，上标p表示相应变量的预测值；

1-5)对每次预测采用代价函数进行评估：

式中，g_r为所述转子变流器的代价函数，c₁、w₂为权重系数，分别为悬浮物速度和转子电流的参考值，其中，在悬浮上升过程中，根据设定的曲线确定；在悬浮平衡点处，通过悬浮气隙δ与平衡点处的悬浮气隙δ₀的误差经PI控制器得到，分别为悬浮物速度的预测值和转子电流的预测值，由式(5)求得；

1-6)选择并存储、应用使代价函数式(6)最小化的开关状态

1-7)进入下一个采样时刻；

步骤2，由所述定子变流器根据磁悬浮偏航电机的偏航动态数学模型，采用模型预测控制策略，控制定子电流，使磁悬浮偏航电机按规定转速旋转至对风位置，具体方法是：

2-1)建立所述磁悬浮偏航电机的偏航动态数学模型；建模过程如下：

对于无阻尼绕组的隐极式同步盘式电机，忽略磁路饱和以及各绕组漏感，按照坐标变换原理，可得到dq同步旋转坐标系下的所述磁悬浮偏航电机的动态电压方程为：

式中，u_sd、u_sq、U_r分别为定子电压的d轴、q轴分量以及转子电压，i_sd、i_sq、I_r分别为定子电流的d轴、q轴分量以及转子电流，ψ_sd、ψ_sq、ψ_r分别为定子磁链的d轴、q轴分量以及转子磁链，R_s、R_r分别为定子电阻和转子电阻，ω₁为定子旋转磁场角速度；

磁链方程为：

式中，L_sd、L_sq分别为定子绕组的d轴、q轴自感，对于隐极电机，有L_sd＝L_sq＝L_s；L_m为定子与转子绕组间的互感，L_r为转子直流励磁绕组的电感；

转矩和运动方程：

式中，ω为转子旋转角速度，n_p为电机极对数，J为旋转总转动惯量，T_L为负载转矩；

2-2)求dq同步旋转坐标系下的所述定子电压方程：

将式(8)代入式(7)，并考虑L_sd＝L_sq＝L_s，得到：

2-3)求定子电流离散时间模型：

对采样时间T的定子电流导数采用欧拉近似法，即

式中，i(k)为变量i在k时刻的值，T为采样时间；

将式(11)应用于式(10)，可得到dq同步旋转坐标系下的预测定子电流离散时间模型：

2-4)对状态变量定子电流进行延时补偿，以解决计算时间导致的延时问题，过程如下：

41)测量定子电流i_sd(k)、i_sq(k)及转子电流I_r(k)；

42)根据式(12)，应用前一采样时刻的最佳开关状态ū_sd(k)、ū_sq(k)估算k+1时刻的定子电流：

式中，为定子电流在k+1时刻的估算值；

43)预测下一采样时刻k+2的定子电流：

44)对每次预测采用代价函数进行评估：

式中，g_s为所述定子变流器的代价函数，w₃、w₄为权重系数，分别为定子电流q轴分量的参考值和预测值，通过转子转速ω与其参考值ω^*的误差经PI控制器得到；为限制定子电流幅值的函数，该函数为：

式中，i_max为最大允许定子电流幅值；

45)选择并存储、应用使代价函数式(15)最小化的开关状态

46)进入下一个采样时刻；

步骤3，在偏航的同时，使所述转子变流器根据磁悬浮偏航电机的偏航悬浮动态数学模型，采用模型预测控制策略，控制转子电流，使磁悬浮偏航电机的转子保持在悬浮平衡点处，具体方法是：

3-1)建立所述磁悬浮偏航电机的偏航悬浮动态数学模型，建模过程如下：

偏航过程中，由于有定子电流存在，所述转子电压方程为：

所述转子磁链方程为：

ψ_r＝L_mi_sd+L_rI_r (18)

式中，U_r为转子电压，R_r为转子电阻，I_r为转子电流，i_sd为定子电流的d轴分量，L_m为定子与转子绕组间的互感，L_r为转子直流励磁绕组的电感，且有L_r＝2k₁/δ；

将式(18)代入式(17)，可得：

结合式(1)，可得所述磁悬浮偏航电机的偏航悬浮动态数学模型：

3-2)令x₁＝δ，x₃＝I_r，代入式(20)，整理可得所述磁悬浮偏航电机的偏航悬浮状态空间方程为：

3-3)对式(21)的左边采用前向差分欧拉方程作数值近似，可得：

式中，x_i(k)为变量x_i在k时刻的值，i＝1,2,3，T为采样周期；

3-4)将式(22)应用于式(21)，可预测下一时刻悬浮物速度x₂和转子电流x₃的离散值：

式中，上标p表示变量的预测值；

3-5)对每次预测采用代价函数进行评估：

式中，g_r为所述转子变流器的代价函数，w₅、w₆为权重系数，分别为悬浮物速度、转子电流的参考值，其中，通过悬浮气隙δ与平衡点处的悬浮气隙δ₀的误差经PI控制器得到，分别为悬浮物速度、转子电流的预测值，由式(23)求得；

3-6)并存储、应用使代价函数式(24)最小化的开关状态

3-7)进入下一个采样时刻。