[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

说明书

本发明涉及一种基于模型预测控制的风电磁悬浮偏航电机控制方法，属于电气工程技术领域。该方法采用模型预测控制技术，对磁悬浮偏航电机的悬浮和偏航旋转过程进行实时平稳控制：当风向改变需要偏航时，首先由转子变流器通过代价函数寻找最优控制律控制转子电流，使转子向上悬浮至并保持在悬浮平衡点处；其次由定子变流器通过代价函数寻找最优控制律控制定子电流，使偏航电机按规定转速旋转至对风位置，同时使转子变流器通过代价函数寻找最优控制律控制转子电流，使转子保持在悬浮平衡点处，实现定转子协同控制而无需解耦，保证系统快速跟踪能力和稳定性，同时能够有效抑制因外界扰动对系统运行的影响，确保整个悬浮偏航旋转过程系统性能实时最优。

技术领域

本发明涉及一种控制方法，尤其是一种基于模型预测控制的风电磁悬浮偏航电机控制方法，属于电气工程技术领域。

背景技术

偏航系统，也称对风装置，是水平轴风力发电机组必不可少的重要组成部分，目前大中型水平轴风电机组均采用齿轮驱动的偏航系统，存在结构复杂、多电机驱动、占用空间大、故障率高、维护不便(需要润滑、且必须定期更换润滑油和润滑脂)等缺陷，一旦发生故障，更换困难，停机检修时间长，将给风电场乃至整个电网的正常运行造成严重影响。

风电磁悬浮偏航系统采用磁悬浮驱动技术，取代传统的齿轮驱动技术，具有对风精度高、无需润滑、结构简单、维护方便、停电时间短、运行维护费用低等优势。通过电磁悬浮，一方面机舱处于悬浮状态，可实现精确对风；另一方面，简化了偏航系统结构，使维修简便，可大大缩短停机时间。

风电磁悬浮偏航系统中最关键的部件是磁悬浮偏航电机，其工作原理是：当风向改变时，首先使其转子通入直流电，实现悬浮，到达悬浮平衡点后，使其定子通入交流电，转子开始旋转，直至到达对风位置。在旋转过程中，一方面要实施悬浮控制，使其处于平衡点，另一方面要控制其转速，实现稳定旋转，因而必须实现定转子协同控制。

但磁悬浮技术因其高非线性、强耦合以及本质非稳定特点，实现其稳定控制极富挑战性，目前研究多集中在磁悬浮列车、磁悬浮轴承以及磁悬浮平面电机等领域的悬浮控制。其中，线性状态反馈控制是采用最多的悬浮控制策略，但多采用泰勒线性化方法在平衡点处线性化系统模型，藉此完成状态反馈控制，因此对气隙变化鲁棒性差；有的采用滑模控制实现了悬浮系统的鲁棒控制，但因其固有的抖振问题应用还有待完善。针对泰勒线性化忽略高阶动态问题，有人采用自适应方法实现悬浮体稳定控制；有的则采用反馈线性化和状态反馈实现悬浮体控制，但受系统参数摄动影响。还有文献将H∞控制应用于悬浮系统控制中，提高了系统对气隙或悬浮体质量变化的鲁棒性，但存在控制器阶数较高的缺陷。

模型预测控制(MPC)与常规PI控制相比，无需解耦，速度反应快，过冲小，能够快速对系统故障或干扰做出最佳反应，从而避免系统受损或最大程度上减少系统损坏。但目前采用MPC技术对磁悬浮偏航电机系统开展研究甚少。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，本发明提供一种风电磁悬浮偏航电机的控制方法，通过采用模型预测控制(MPC)算法，实现定转子协同控制，确保风电磁悬浮偏航电机整个悬浮偏航旋转过程中系统性能实时最优。

为了达到以上目的，本发明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、圆盘、塔架、导向轴承、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；所述定子与所述圆盘固定，所述圆盘套接在所述塔架上并与所述塔架固定；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；所述导向轴承与所述负载平台固定，并与所述塔架固定；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或悬浮系统。

本发明一种基于模型预测控制的风电磁悬浮偏航电机控制方法，包括以下步骤：