一種機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機的控制方法
【專利摘要】一種機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機的控制方法，所述方法首先建立由渦簧箱、齒輪變速箱和永磁同步發(fā)電機依次連接而成的永磁同步發(fā)電裝置的全系統(tǒng)數(shù)學模型；然后根據(jù)內外部干擾建立永磁同步發(fā)電機狀態(tài)方程并設計高增益干擾觀測器，利用高增益干擾觀測器估計出綜合干擾；再通過設計L2魯棒反步控制器，求得d、q軸的控制電壓；最后將控制電壓輸入到永磁同步發(fā)電機全系統(tǒng)數(shù)學模型中，實現(xiàn)對永磁同步發(fā)電機的控制。本發(fā)明針對內外部非線性擾動，設計了基于高增益算法的干擾觀測器；并基于L2干擾抑制算法，設計了魯棒反步控制律。試驗結果表明，本方法能夠完全抑制內外部的非線性干擾，實現(xiàn)了發(fā)電機的高精度控制，保證電機輸出高質量電能。
【專利說明】
一種機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機的控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于控制機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機的方法，屬于控制技術 領域。
【背景技術】
[0002] 永磁同步發(fā)電機具有氣隙磁密高、轉矩慣量比大、結構簡單緊湊、效率高、響應速 度快等優(yōu)點，適于用作永磁電機式機械彈性儲能機組中的機械能向電能轉換的執(zhí)行設備。 由于永磁電機式機械彈性儲能機組的機電耦合特性以及永磁同步發(fā)電機的非線性特征，機 械彈性儲能機組發(fā)電運行時需要解決的關鍵技術問題就是永磁同步發(fā)電機的非線性控制 問題。另外，永磁同步發(fā)電機在發(fā)電運行時，作為動力源的渦簧的扭矩和轉動慣量不斷變 化，將對電機運行性能造成不良影響。加之永磁同步發(fā)電機內部參數(shù)易受環(huán)境溫度、濕度等 影響，使得其內部參數(shù)常常偏離額定值，因此，永磁同步發(fā)電機采用基于常規(guī)參數(shù)固定的PI 矢量控制，適應性將變差，很難滿足高質量發(fā)電的控制要求。為此，設計一種控制方法，使得 機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機在發(fā)電運行時，既能抵抗住內外部非線性干擾，又能發(fā)出 高質量電能具有非常重要的意義。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術之弊端，提供一種機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電 機的控制方法，使機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機在發(fā)電運行時既能抵抗住內外部非線性 干擾，又能發(fā)出高質量電能。
[0004] 本發(fā)明所述問題是以下述技術方案實現(xiàn)的：
[0005] -種機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機的控制方法，所述方法首先建立由渦簧箱、 齒輪變速箱和永磁同步發(fā)電機依次連接而成的永磁同步發(fā)電裝置的全系統(tǒng)數(shù)學模型;然后 根據(jù)內外部干擾建立永磁同步發(fā)電機狀態(tài)方程并設計高增益干擾觀測器，利用高增益干擾 觀測器估計出綜合干擾;再通過設計1^魯棒反步控制器，求得d、q軸的控制電壓;最后將控 制電壓輸入到永磁同步發(fā)電機全系統(tǒng)數(shù)學模型中，實現(xiàn)對永磁同步發(fā)電機的控制。
[0006] 上述機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機的控制方法，所述方法包括以下步驟：
[0007] a.根據(jù)機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機的實際運行參數(shù)，建立永磁同步發(fā)電裝置 的全系統(tǒng)數(shù)學模型：
[0008]
[0009]
[0010]
[0011] j = jp+js
[0012] Js = Jm/r2
[0013] Ts = Tm/r
[0014] B = Bp+Bs
[0015] Bs = Bm/r2
[0016] ω = ω m · r
[0017]
[0018] 其中：ω、coj別表示發(fā)電機和渦簧彈性軸的機械角速度，id、iq和ud、 uj別表示 定子電流和定子電壓的d、q軸分量，Ld、Lq分別表示定子繞組的d軸和q軸電感，R表示定子繞 組的電阻，Ts表示渦簧等效到電機側的扭矩，T m表示渦簧彈性軸輸出的扭轉力矩，J表示等效 轉動慣量，Jp表示電機的轉動慣量，Js表示渦簧等效到電機側的轉動慣量，Jm表示渦簧的轉 動慣量，B表示等效轉動慣量，Bp表示電機的粘滯阻尼系數(shù)，Bs表示渦簧等效到電機側的粘滯 阻尼系數(shù)，B m表示渦簧的粘滯阻尼系數(shù)，p是轉子極對數(shù)，(i>f是永磁體產生的磁鏈，r為齒輪 變速箱變速比，E、1、b和h分別為儲能渦簧的材料彈性模量、長度、寬度和厚度，k為渦簧質量 系數(shù)，t為時間；
[0019] b.內外部干擾描述
[0020] 內部干擾：
[0023][0024] 外部干擾：
[0021]
[0022]
[0025]
[0026] 其中：ΔΑ為轉速的內部干擾，Af2為q軸電流的內部干擾，Af3為d軸電流的內部 干擾，Α φ ￡和Δ B分別表示Φ #PBP的變化值，和分別表示R/L(^pR/ Ld的變化 值，分別表示和Φ f/Lq和Φ f/Ld的變化值，Ja( = Jp+Wr2)為等效轉動慣 量的可測部分，為渦簧轉動慣量的可測部分，^為渦簧轉動慣量的不可 測部分，AJha+Sjp-J，)為引入的中間變量，4(=么 ;;//·2)為等效轉動慣量的不可測 部分，TSa(=Wr)為等效驅動轉矩的可測部分，八;"(= 7；; -為渦簧扭矩的可測部分， 為渦簧扭矩的不可測部分;(= /0為驅動轉矩的不可測部分；
[0027] c.根據(jù)內外部干擾建立含有待估計干擾的永磁同步發(fā)電機狀態(tài)方程： .，3:
[0031] 其中：X1、X2和X3分別表示ω、iq和id，

=1/ (Lq+ Δ Lq)-1/Lq Η
Η g3 = l/(Ld+ALd)-l/Ld!
.)為轉速的等效干擾，d2(= Δ f2+A g2Uq)為定 子繞組q軸電流的等效干擾，d3(= Δ f3+A g3ud)為定子繞組d軸電流的等效干擾；[0032] d.設計高增益干擾觀測器4、態(tài)和4 ··
'^ \ / -二，\ a a. /
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 其中：ξ^ξ^ΡξΒ為輔助狀態(tài)變量，
4、表和4分別為干擾di、d2和d3的估計值，丨八1、 1々2和丨八3分別是是、為和4的增益。
[0037] 根據(jù)仿真控制性能效果，調試增益參數(shù)1/ει、1/ε2和1/ε3,將其代入高增益干擾觀 測器在、和4中來估計山、山和 d3;
[0038] e.設計1^魯棒反步控制器：
[0039]
[0040]
[0041] 其中：(^是虛擬控制函數(shù)
為控制參數(shù)，T為L2增益干擾抑制因子，Z1、Z2和Z3分別為XL、X2和X3的誤差變量。
[0042] 根據(jù)仿真控制性能效果，調試參數(shù)丁、1^1上和1?，將其代入11(1和11(1中，進而得到(1、(1 軸的控制電壓；
[0043] f.將控制電壓Ud和uq輸入到永磁同步發(fā)電機全系統(tǒng)數(shù)學模型，實現(xiàn)對永磁同步發(fā) 電機的控制。
[0044]本發(fā)明針對內外部非線性擾動，設計了基于高增益算法的干擾觀測器;并基于L2 干擾抑制算法，設計了魯棒反步控制律。試驗結果表明，本方法能夠完全抑制內外部的非線 性干擾，實現(xiàn)了發(fā)電機的高精度控制，保證電機輸出高質量電能。
【附圖說明】
[0045]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0046] 圖1是永磁發(fā)電機組全系統(tǒng)模型；
[0047] 圖2、圖3、圖4是非線性干擾及其估計；
[0048]圖5、圖6是系統(tǒng)控制輸入；
[0049] 圖7、圖8、圖9是系統(tǒng)狀態(tài)輸出。
[0050] 文中各符號表示為：ωη表示渦簧彈性軸的機械角速度，。、、和^^如分別表示定子 電流和定子電壓的d、q軸分量，Ld、L q分別表示定子繞組的d軸和q軸電感，R表示定子繞組的 電阻，Ts表示渦簧等效到電機側的扭矩，Tm表示渦簧彈性軸輸出的扭轉力矩，J表示等效轉動 慣量，Jp表示電機的轉動慣量，Js表示渦簧等效到電機側的轉動慣量，Jm表示渦簧的轉動慣 量，B是等效粘滯阻尼系數(shù)，Bp表示電機的粘滯阻尼系數(shù)，Bs表示渦簧等效到電機側的粘滯阻 尼系數(shù)，B m表示渦簧的粘滯阻尼系數(shù)，p是轉子極對數(shù)，(i>f是永磁體產生的磁鏈，r為齒輪變 速箱變速比，N為渦簧工作圈數(shù)，E、l、b和h分別為儲能渦簧材料的彈性模量、長度、寬度和厚 度，k為渦簧質量系數(shù)，t為時間，Afi為轉速的內部干擾，Af 2為q軸電流的內部干擾，A f3為 d軸電流的內部干擾，Λ φ ￡和Δ B分別表示Φ f和Bp的變化值，和別表示R/Lq 和R/Ld的變化值，Δ%，和分別表示和φ f/Lq和Φ f/Ld的變化值，JdPTsj別為等 效轉動慣量和等效驅動轉矩的可測部分，Jma和Tma分別表示渦簧轉動慣量和輸出扭矩的可 測部分，和分別為渦簧轉動慣量和扭矩的不可測部分，心和分別為等效轉動慣 量和驅動轉矩的不可測部分，△ J、fl、f2和f3為中間變量，X1、X2和X3分別表不發(fā)電機轉子的 機械角速度ω、定子電流q軸分量iq和定子電流d軸分量id，為轉速的干擾估計值，_^ 2為定 子繞組q軸電流的干擾估計值，&為定子繞組d軸電流的干擾估計值，&、&和&分別為cU、 d2和d3的估計誤差，14^13為輔助變量，1/ει、1/ε 2和1/ε3分別是^和&的增益，coref 是轉速的期望值，αι、α2是對應于iq和id的虛擬控制函數(shù)，ki、k 2和k3為控制參數(shù)，T為L2增益 干擾抑制因子，Z1、Z2和Z3分別為Χ1、χ2和X3的誤差變量，Di、D2、D 3和Pi均為常數(shù)，Η為Hami lton 函數(shù)，d為系統(tǒng)的干擾信號，z為系統(tǒng)的評價信號，V為李雅普諾夫函數(shù)。
【具體實施方式】
[0051] 本發(fā)明由以下技術方案實現(xiàn)：
[0052] 1.永磁同步發(fā)電機數(shù)學建模
[0053] 永磁同步發(fā)電裝置全系統(tǒng)模型如圖1所示，齒輪變速箱被簡化為多自由度"彈簧一 質量一阻尼"模型，其中，Bp和仏分別為電機和渦簧的粘滯阻尼系數(shù)，Ts表示等效到電機側的 渦簧驅動轉矩，T m表示渦簧彈性軸輸出的扭轉力矩，ω和〇^分別表示發(fā)電機轉子和渦簧彈 性軸的機械角速度。
[0054]在發(fā)電過程中，永磁同步電機運行于發(fā)電機狀態(tài)，假設定子繞組d軸電感Ld等于定 子繞組q軸電感Lq，則永磁同步發(fā)電機在d、q軸旋轉坐標下的數(shù)學模型可寫為：
[0055]
(Π
[0056] 其中：J( = JP+JS)為等效轉動慣量，JP為電機的轉動慣量，Js為渦簧等效到電機側 的轉動慣量，id、iq分別表示定子電流的d、q軸分量，Ud、Uq分別表示定子電壓的d、q軸分量，R 為定子電阻，ω為電機轉子的機械角速度，(^為永磁體磁鏈，p為轉子極對數(shù)。
[0057] 假設齒輪變速箱變速比為r，忽略變速箱功率損耗，則變速箱兩側的慣量、力矩、角 速度關系式可表達為：
[0058]
(2)
[0059]設渦簧尾端采用固定方式，根據(jù)國標《平面渦卷彈簧設計計算(JB/T7366-1994)》， 矩形截面渦簧扭矩可寫為：
[0060]
(3)
[0061 ]其中：N為渦簧工作圈數(shù);E、1、b和h分別為儲能渦簧材料的彈性模量、長度、寬度和 厚度;k為渦簧質量系數(shù)。
[0062]正常運行時渦簧彈性軸角速度ωm與渦簧工作圈數(shù)N的關系為：
[0063]
(4)
[0064] 式(4)代入式(3)可得，渦簧扭矩與其角速度的關系為：
[0065]
(5)
[0066] 由式（5)可見，理論上，一旦角速度ωΜ恒定，渦簧輸出扭矩將與時間呈現(xiàn)線性關 系。
[0067] 微分方程(1)結合等式(2)和(5)就構成了帶有機械彈性儲能裝置的永磁同步發(fā)電 機組全系統(tǒng)數(shù)學模型。
[0068] 2.控制問題描述
[0069] 2.1動力源轉動慣量和轉矩同時變化情況描述
[0070] 機械彈性儲能以渦簧作為動力源?；跈C械渦簧的固有特征，可分別用式(6)和 (7)來描繪渦簧的轉動慣量和轉矩變化：
[0071] (6)
[0072] ，冊 Jw (7)
[0073] 其中：j4PTm分別表示渦簧的轉動慣量和輸出扭矩，Jma和Tma分別表示渦簧轉動慣 量和輸出扭矩的可測部分，實驗表明，它們隨時間呈線性變化，^^和^^分別表示渦簧轉 動慣量和扭矩的不可測部分，分別模擬渦簧轉動慣量和輸出扭矩在一定范圍內的隨機波動 干擾。
[0074] 針對和^5^;，本發(fā)明通過設計干擾觀測器來進行估計。
[0075] 結合式(2)，可得等效轉動慣量為：，
$Ja = Jp+Jma/r2,毛=\;/r2，其中，J a為等效轉動慣量的可測部分，δ:為等效轉動慣量的 不可測部分;等效驅動扭矩為：
其 中，!^為等效驅動轉矩的可測部分，為驅動轉矩的不可測部分。
[0076] 將J = Ja+3j和.? =? +.?代入式（1)，可得：
[0077](8) \
/
[0078] 為便于推導和后續(xù)處理，引入AJ如下：
[0079] AJ=(Ja+5j)-1-Ja-1 (9)
[0080] 則式(8)可以重新描述如下：
[0081 ](1〇) V
' J
[0082]引入不確定性綜合干?;
長描 述渦簧轉動慣量和轉矩同時變化對轉速的影響。
[0083] 2.2電機內部結構參數(shù)不確定影響
[0084] 對于機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機而言，受環(huán)境溫度、濕度等影響，永磁同步發(fā) 電機的定子繞組電阻R、定子繞組的q軸和d軸電感L q和Ld、粘滯阻尼系數(shù)Bp和轉子永磁體產 生的磁鏈Φ?常常偏離額定值。若不考慮這些結構參數(shù)的不確定性影響，采用額定值建模的 機械彈性儲能系統(tǒng)會存在建模誤差。為了描述電機結構參數(shù)不確定所造成的影響，引入A fi，A f2和 A f3如下：
[0088] 其中：Δ φ f和Δ B分別表不Φ f和BP的變化值，^和Δ/?Λ>_^分別表不R/Lq和R/
[0085]
[0086]
[0087] Ld的變化值，和分別表示和φ f/Lq和Φ f/Ld的變化值。
[0089] 2.3建立永磁同步發(fā)電機數(shù)學模型
[0090] 綜合上述分析，永磁同步發(fā)電機的動態(tài)特性可用下面的狀態(tài)方程來表示：
[0091]
[0092] 123456789 2
[0094] 其中AW和X3分另ll表示ω、iq和id
3
4 Δ g3 = -l/Ld+l/(Ld+ A La)丨為轉速的等效干擾，d2( = Δ f2+ Δ g2Uq) 5 v a
^ a 6 為定子繞組q軸電流的等效干擾，d3( = Δ f3+A g3ud)為定子繞組d軸電流的等效干擾，Δ Lq和 7 A Ld分別表示Lq和Ld的變化值。 8
[0095]本發(fā)明中，假設所有狀態(tài)都是可測的。 9
[0096] 3.高增益干擾觀測器設計
[0097] 式（14)-(16)中，di、d2和d3描述了內外部干擾對永磁同步發(fā)電機的影響，本發(fā)明引 入高增益觀測器對這些干擾進行估計。首先，將永磁同步發(fā)電機的狀態(tài)方程（14)-(16)改寫 為：
-a -a
[0098]
[0099]
[0100]
[0101] 假設干擾Cb'cb和cb的估計值為忒、4和4,則估計誤差4、4和4可寫為：
[0102]
(20)
[0103] 根據(jù)高增益干擾觀測器理論，4、4和^可設計如下：
[0104]
123 其中：1/ει、1/ε2和1/ε3是觀測器.是、矣和的增益。 2 假設1 1』、？、(^及各自導數(shù)均有界。 3 事實上，從物理角度來看，永磁同步發(fā)電機的所有狀態(tài)都是有界的，也即|X|<Xmax (常數(shù)）。并且，從式(6)(7)和(9)可以看出，在一定的發(fā)電時間內，AJ和<也是有界的。因 此，存在常數(shù)Di、D 2和D3使得：
[0108]
(22)
[0109]為抑制這些干擾衍生因素，需要高增益或者說使￡1、￡2和￡3的值較小。從式(21)能 夠看到，描述^和武動態(tài)特性的方程使用了它們導數(shù)的形式，如果直接使用觀測器的 1 " 2, '3 高增益，測量噪聲勢必會被放大，因此這種觀測器在實際應用中效果將不理想。為避免這一 問題的出現(xiàn)，本發(fā)明引入對應于4、&和13的三個輔助狀態(tài)變量^2和|3。
[0110]給定輔助狀態(tài)變量1、ξ2和ξ3如下：
[mu]
(23)
[0112] 則輔助狀態(tài)變暈的動態(tài)特性可寫為：
[0113](24) ^'3 V. J \：Ljd
?
[0114] 于#
。其中Pi表示一實數(shù)，只叫4w|，v〇〇， i = l，2,3。從結果中可知，越小，①）的上限越小。
[0115] 注1觀測器（24)與輔助狀態(tài)變量（23)不需要七、和毛的導數(shù)來得到和 因此如果用式(23)和(24)取代式(21)來進行變化估計，則因高增益而引起的測量噪聲 被放大的影響得以減弱，以至于其影響在實際中是可以被忽略的。
[0116] 4. L2魯棒反步控制律設計
[0117] 將式(14)視為一個子系統(tǒng)。根據(jù)反步控制理論，定義系統(tǒng)誤差變量21、22和23如下：
[0118]
(25)
[0119] 其中：〇re3f是轉速的期望值，ajPa2是為使得系統(tǒng)穩(wěn)定而引入的待定虛擬控制函 數(shù)。
[0120] 對幻求一階導數(shù)，可得
[0121]
(26)
[0122] 將式(20)和(25)代入式(26)，可得
[0123]
(27)
[0124] 選取虛擬控制函數(shù)(^為
[0125]
(28)
[0126] 其中為正實數(shù);$為高增益干擾觀測器輸出
*3魯棒項，用以抵消觀測 器估計誤差:是對系統(tǒng)的影響。
[0127] 將式(28)代入式(27)，可得
[0128]
(29)
[0129] 為實現(xiàn)永磁同步發(fā)電機的完全解耦和速度跟蹤，設計虛擬控制函數(shù)α2如下：
[0130] α2 = 0 (30)
[0131] 由Z1、Ζ#ΡΖ3可以組成新的系統(tǒng)，分別對Ζ#Ρ Ζ3求導數(shù)，可得
[0132](31) u
u
[0133] 將式(20)和(25)代入式(31)，可得
[0134]
(32)
[0135] 與α#Ρα2的設計類似，設計實際控制Ud和Uq為
[0136] 一
/
[0137] 其中：k2和k3為正實數(shù)；&和<^ 3為高增益干擾觀測器的輸出；
為魯棒項，分別用以抵消觀測器估計誤差&和&對系統(tǒng)的影響。
[0138] 將式(33)代入式(32)，可得
[0139]
(34)
[0140] 對于系統(tǒng)狀態(tài)（14)-(16)，設計干擾觀測器（24)，通過控制律（33)選擇適當?shù)膮?數(shù)，可以保證系統(tǒng)干擾到性能輸出的L 2增益不超過設定的正實數(shù)T，則系統(tǒng)是一致最終有 界穩(wěn)定的。
[0141] L2干擾抑制問題指的是設計控制輸入u，使得系統(tǒng)的增益盡可能小，同時保證干擾 為零時閉環(huán)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定，可等價為求解一個基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的耗散不等式問 題，即
[0142]
(35)
[0143] 其中：Η為Hamilton函數(shù)，T為干擾抑制水平因子，d為系統(tǒng)的干擾信號，z為系統(tǒng)的 評價信號。
[0144] 因式（24)在有限時間內收斂，將觀測器估計誤差4、&和<選為系統(tǒng)的干擾信 號，將式(25)的反饋誤差選為系統(tǒng)的評價信號，即
[0145]
(36)
[0146] 構造 Lyapunov 函數(shù)
[0147]
(37)
[0148] 對其關于時間求一階導數(shù)，可得
[0149] V - ζ?21 + Ζ?Ζ^ + Z3Z3 (38)
[0150] 將式(29)和(34)代入式(38)，整理可得
[0151] \ / \
y \ y
[0152] 于是，Hamilton函數(shù)為
[0153]
[0154] 由此可知系統(tǒng)滿足耗散不等式(35)，即從干擾d到性能輸出2的1^2增益不超過T。 當| |d| 1=0時，系統(tǒng)是一致漸近穩(wěn)定的；當| |d| |辛〇時，由于d有界，系統(tǒng)是一致最終有界穩(wěn) 定的。
[0155] 以上已經驗證了系統(tǒng)（14)至（16)在內外部干擾下是穩(wěn)定的，基于本發(fā)明提出的非 線性控制方法，設計干擾觀測器和魯棒反步控制設計如下：
[0162]具體分析實例
[0163 ]對提出的控制方法進行實驗分析。
[0164] 永磁同步發(fā)電機有關參數(shù)為:κ=2·875Ω，(})f = 0.38ffb，p=10，Bp = 0.0001N/rad/s， Bm=0.01N/rad/s Lq = Ld = 0.033H，r = 30:1;禍簧參數(shù)為：Jma = 0. l+0.4t/60(kg · m2)，Tma = 50-40t/60(N.m);外部干擾為：A = J(-0.025,0.025),辱, =5(-2.5,2.5)，分別表示 m *.m 在(-0.025,0.025)和(-2.5,2.5)隨機變化的白噪聲，內部參數(shù)干擾為：六8=0.58，六(}^ = 0.5 Φ?, ALq=-0.5Lq, ALd = -0.5Ld7 - ：Λ-^ ? q ?
竹-~ r r/ q
[0165] 綜合上述分析，永磁同步發(fā)電機的動態(tài)特性可用下面的狀態(tài)方程來表示：
[0166]
[0167]
[0168]
[0169] 設計反步控制參數(shù)為：1^ = 8000,k2 = 6125，k3 = 500;干擾抑制水平因子為：T = 〇 . 2 ;高增益參數(shù)為：ε: = 1 X 10-4，ε2 = 5 X 10-5，ε3 = 1 X 10-5;控制目標為電機轉速nref = 300r/min，定子d軸電流id ref = 0。
[0170] 基于本發(fā)明提出的非線性控制方法，設計的干擾觀測器為：
[0177] 設計的魯棒反步控制器為：
[0178]
[0179]
[0180]
[0181]利用Matlab軟件進行數(shù)值仿真，仿真步長取Δ七=0.0018，選取系統(tǒng)初始條件為:義 (0) = [0 0 0]和ξ = [0 0 0]，仿真結果如圖2至圖9所示，其中，圖2、圖3和圖4表明本發(fā)明設 計的干擾觀測器方程能夠較為精確的觀測內外部非線性綜合干擾影響；圖5是電機輸出軸 的轉速η(= ω/2π)，基本恒定于300r/min，圖6表明在內外部干擾下，本發(fā)明設計的魯棒反 步控制器能夠保證永磁同步發(fā)電機輸出轉速穩(wěn)定，η為輸出轉速(r/min);圖7表示永磁同步 發(fā)電機輸出的q軸電流i q隨著發(fā)電過程中渦簧扭矩的降低而不斷減小，并抵抗干擾；圖8表 明永磁同步發(fā)電機輸出的d軸電流id，實現(xiàn)了對于參考值idrrf = 0的跟蹤。仿真結果說明，內 外部的非線性綜合干擾影響被本發(fā)明設計的干擾觀測器成功估計，且均被完全抑制；閉環(huán) 系統(tǒng)很快地實現(xiàn)了對參考信號（idref = 0，nref = 300r/min)的漸進跟蹤，因此，本發(fā)明設計的 魯棒控制器特性良好，作用有效。
【主權項】
1. 一種機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機的控制方法，其特征是，所述方法首先建立由 渦簧箱、齒輪變速箱和永磁同步發(fā)電機依次連接而成的永磁同步發(fā)電裝置的全系統(tǒng)數(shù)學模 型；然后根據(jù)內外部干擾建立永磁同步發(fā)電機狀態(tài)方程并設計高增益干擾觀測器，利用高 增益干擾觀測器估計出綜合干擾;再通過設計1^魯棒反步控制器，求得d、q軸的控制電壓； 最后將控制電壓輸入到永磁同步發(fā)電機全系統(tǒng)數(shù)學模型中，實現(xiàn)對永磁同步發(fā)電機的控 制。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機的控制方法，其特征是， 所述方法包括以下步驟： a. 根據(jù)機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機的實際運行參數(shù)，建立永磁同步發(fā)電裝置的全 系統(tǒng)數(shù)學模型：其中：ω、分別表示發(fā)電機和渦簧彈性軸的機械角速度，。山和^如分別表示定子 電流和定子電壓的d、q軸分量，Ld、Lq分別表示定子繞組的d軸和q軸電感，R表示定子繞組的 電阻，Ts表示渦簧等效到電機側的扭矩，T m表示渦簧彈性軸輸出的扭轉力矩，J表示等效轉動 慣量，Jp表示電機的轉動慣量，Js表示渦簧等效到電機側的轉動慣量，Jm表示渦簧的轉動慣 量，B表示等效轉動慣量，Bp表示電機的粘滯阻尼系數(shù)，Bs表示渦簧等效到電機側的粘滯阻尼 系數(shù)，B m表示渦簧的粘滯阻尼系數(shù)，p是轉子極對數(shù)，(i>f是永磁體產生的磁鏈，r為齒輪變速 箱變速比，E、l、b和h分別為儲能渦簧的材料彈性模量、長度、寬度和厚度，k為渦簧質量系 數(shù)，t為時間； b. 內外部干擾描述 內部干擾：其中：Af1為轉速的內部干擾，Af2Sq軸電流的內部干擾，Af3為d軸電流的內部干擾， Λ Φ f和Λ B分別表示Φ JPBp的變化值，和分別表示R/Lq和R/Ld的變化值，^^/-&和^~/_^分別表示和(^/1(1和(^/1 (1的變化值，1(=>+^八2)為等效轉動慣量的 可測部分，乂^ - )為渦簧轉動慣量的可測部分，</,H為渦簧轉動慣量的不可測部 分，AJ( = (Ja^)-i-Ja-〇為引入的中間變量，毛(=/r:)為等效轉動慣量的不可測部 分，TSa( =Wr)為等效驅動轉矩的可測部分Λ;α(=^-為渦簧扭矩的可測部分， &Γ",為渦簧扭矩的不可測部分;(= /〇為驅動轉矩的不可測部分；c. 根據(jù)內外部干擾建立含有待估計干擾的永磁同步發(fā)電機狀態(tài)方程：子繞組q軸電流的等效干擾，d3(= Δ f3+A g3ud)為定子繞組d軸電流的等效干擾； d. 設計高增益干擾觀測器4、矣和4: 美分別為干擾di、d2和d：B的估計值，l/ε^Ι/ε2和1/ε3分別是式、式和式的增益。根據(jù)仿真控制性能效果，調試增益參數(shù)IA1UA2和1/ε3,將其代入高增益干擾觀測器 么、4和4中來估計di、d2和cb; e. 設計L2魯棒反步控制器：制參數(shù)，T為L2增益干擾抑制因子，Z1、Z2和Z3分別為X；1、X2和X3的誤差變量。 根據(jù)仿真控制性能效果，調試參數(shù)7、匕、1?和1?，將其代入11(1和11(1中，進而得到(1、(1軸的 控制電壓； f. 將控制電壓Ud和Uq輸入到永磁同步發(fā)電機全系統(tǒng)數(shù)學模型，實現(xiàn)對永磁同步發(fā)電機 的控制。
【文檔編號】H02P21/14GK105932922SQ201610446128
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】余洋, 米增強, 牛璽童
【申請人】華北電力大學（保定）