[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

摘要

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。

主权项

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(Ir,δ)、向下的悬浮物重力mg和外界扰动力fd(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，xi(k)为变量xi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，w₁、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，usd、usq、Ur分别为定子电压的d轴、q轴分量以及转子电压，isd、isq、Ir分别为定子电流的d轴、q轴分量以及转子电流，ψsd、ψsq、ψr分别为定子磁链的d轴、q轴分量以及转子磁链，Rs、Rr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，Lsd、Lsq分别为定子绕组的d轴、q轴自感，对于隐极电机，有Lsd＝Lsq＝Ls；Lm为定子与转子绕组间的互感，Lr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，np为电机极对数，J为旋转总转动惯量，TL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Lsd＝Lsq＝Ls，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isd(k)、isq(k)及转子电流Ir(k)；42)根据式(12)，应用前一采样时刻的最佳开关状态估算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，imax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：ψr＝Lmisd+LrIr      (18)式中，Ur为转子电压，Rr为转子电阻，Ir为转子电流，isd为定子电流的d轴分量，Lm为定子与转子绕组间的互感，Lr为转子直流励磁绕组的电感，且有Lr＝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，xi(k)为变量xi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。