[发明专利]一种永磁同步发电机自抗扰控制方法

说明书

本发明涉及一种永磁同步发电机自抗扰控制方法，所述永磁同步发电机自抗扰控制方法通过自抗扰模型预测直接转矩控制系统对永磁同步发电机进行自抗扰控制；所述自抗扰模型预测直接转矩控制系统包括外环转速控制回路和内环转矩控制回路；所述外环转速控制回路提取永磁同步发电机的转速给定值的微分信号并根据转速给定值的微分信号进行控制与计算实现对永磁同步发电机的稳态控制；所述外环转速控制回路还对永磁同步发电机进行状态观测以及误差反馈；所述内环转矩控制回路对转矩预测值和磁链预测值进行预测并完成对永磁同步发电机的延时补偿。本发明保证PMSG转速和转矩稳定，减小了PMSG的转矩与转速波动范围，使得PMSG能够平稳运行，进而提高PMSG的发电质量。

技术领域

本发明涉及永磁同步发电机领域，特别是一种永磁同步发电机自抗扰控制方法。

背景技术

目前，由于能源和环境问题日益严峻，节能和环境保护越来越受到重视。其中通过回收人们日常生活中使用或产生的气体压力能，成为了解决能源和环境问题的方案之一。燃气供给系统中的天然气、内燃机所产生的废气、高炉煤气等气体，在运输过程中会由气源侧的高压状态被调节至用气侧的低压状态，其中的压力差可用于驱动膨胀机旋转，并带动发电机工作，从而实现气体压力能回收。由于永磁同步发电机(PMSG)具有结构简单，损耗小，效率高等特点，目前压力能回收多采用PMSG实现。

由于气体压力波动具有不确定性，当膨胀机入口处的气源压力发生变化或者出口处用气量发生变化，均会导致膨胀机出口处气体压力变化，使得膨胀机输出转矩发生改变，从而影响发电机发电质量；另一方面，发电机的非线性特性也会给控制器设计与实现造成困难，为此，需要设计能够克服被控对象非线性和气体压力不确定性影响的发电机控制策略。在PMSG 控制中，现有成果通常采用矢量控制(Vector Control，VC)算法，以及直接转矩(Direct Torque Control，DTC)控制算法。VC算法根据PMSG的动态数学模型，通过坐标变换的方法将PMSG 的定子电流分解为励磁电流(d轴电流)与转矩电流(q轴电流)，并分别进行控制，实现磁链与转矩的解耦。由于PMSG的转子无需励磁电流，因此在VC中通常采用d轴电流＝0的控制策略。该控制算法通过坐标变换的方法，将PMSG等效为直流发电机，并通过三个控制回路给出与直流发电机相同的控制信号，然后将控制信号进行坐标逆变换，进而对PMSG进行控制。但是VC需要利用电机准确的转子位置信号进行坐标变换，进而对电流与磁链进行解耦，对传感器等硬件的精度要求较高；同时VC控制算法中的三个控制回路均采用PI控制，参数整定较为困难，且易受外部扰动影响。DTC算法通过内外两个控制回路对PMSG进行控制，其中外环控制回路为转速环，其根据PMSG的实际转速与给定转速之间的误差，给出内环转矩的给定值；内环为转矩环，其根据外环给出的转矩给定值以及通过计算得到的转矩实际值，对PMSG转矩进行直接控制。相较于VC，DTC可在静止坐标系下进行数学变换，不需要电机的转子位置信号，降低了对传感器精度的要求；同时，DTC中只有一个PI控制器，参数整定较为容易，并且由于其控制回路较少，系统响应时间较小，因此广泛应用于发电机控制。目前直接转矩控制的外环通常采用PI控制，内环利用滞环比较器，将磁链、转矩及其设定值输入滞环比较器进而得到磁链和转矩与其设定值之间的偏差，然后利用两个滞环比较器不同的输出信号与电压开关矢量之间的对应关系，选择适当的电压矢量对磁链与转矩的幅值进行调节，以消除磁链和转矩偏差。但是，由于发电机系统具有非线性，当系统受到较大扰动或者工况发生变化，导致PMSG转速波动较大时，已整定得到的PI控制器参数无法适应新的工况，会造成发电质量下降；同时，传统DTC算法内环中的滞环比较器阈值整定较为困难，因为当所设定的滞环比较器阈值发生变化时，其在相同输入的情况下会得到不同的输出信号，此时查表得到的电压矢量可能无法使磁链与转矩的幅值稳定，导致其阈值难以整定，并且信号传输造成的延时会导致查询得出的电压矢量不适合当前时刻特性，进而导致控制不及时，使转矩产生较大波动，增加发电机无功功率，降低发电质量。此外，由于内环控制回路中滞环比较器的环宽对转矩与磁链的控制精度有较大影响，环宽较大时，可以降低变流器的开关频率与损耗，但是会增大转矩和磁链的误差；当环宽较小时，可以提高控制精度，但是会提高变流器开关频率以及损耗；而把环宽设为某固定数值，转矩与磁链则会在小范围波动，导致开关频率不稳定，对硬件要求较高，影响控制效果。