一种基于参数辨识的机械弹性储能用PMSG控制方法技术

一种基于参数辨识的机械弹性储能用PMSG控制方法，所述方法首先建立由涡簧箱、齿轮变速箱和永磁同步发电机组成的永磁同步发电装置的全系统数学模型；然后根据MRAS和Popov超稳定理论设计能辨识发电机参数(电感和磁链)和储能箱参数(转矩和转动惯量)的两种辨识算法观测参数变化，然后利用辨识值建模最大程度的消除内外参数变化带来的建模误差；再通过设计自适应反步控制器，求得描述电阻干扰的自适应律并求得d、q轴的控制输入信号；最后将控制信号输入到永磁同步发电机全系统数学模型中，实现对永磁同步发电机的控制。实验结果表明，本方法能够最大程度的消除系统内外部的参数变化干扰，实现了发电机的高精度控制，保证电机输出高质量电能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于参数辨识的机械弹性储能用PMSG控制方法
本专利技术涉及一种基于参数辨识的机械弹性储能用PMSG控制方法，属于电机

技术介绍
当前，间歇式新能源入网规模不断扩大、尖峰负荷持续攀升。为解决间歇式电源的入网问题，平衡尖峰负荷，技术人员提出了一种永磁电机式机械弹性储能系统，该系统选用机械涡簧作为储能介质，通过控制永磁同步发电机实现机械能向电能的转换。发电过程中，涡簧输出扭矩逐渐减小，转动惯量则逐步变大。此外，受温度、湿度、磁饱和效应等因素影响，永磁同步发电机的内部结构参数如电阻、电感、磁链等将很难直接测量而表现出不确定特性，并且永磁同步发电机本身是一种多变量、高维度、强耦合的非线性系统，传统的比例积分(PI)调节器按照经典理论设计，依赖于精确的电机模型，不能够跟随电机参数及扰动的变化而改变，环境适应能力弱，动态响应能力不强，鲁棒性差，无法满足高质量发电的需求。因此，设计一种新的控制方法，能够抵抗电机内外部参数的干扰，同时控制永磁同步发电机使得机械弹性储能系统高效安全发电是一项极具挑战性的工作，其控制目标的关键在于保证电机“不飞车”的情况下将涡簧中存储的机械能持续、安全的送入电网或供给负荷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于参数辨识的机械弹性储能用PMSG控制方法，使机械弹性储能用永磁同步发电机在发电运行时既能抵抗系统内外部非线性干扰，又能发出高质量电能。本专利技术所述问题是以下述技术方案实现的：一种基于参数辨识的机械弹性储能用PMSG控制方法，所述方法首先建立涡簧箱和永磁同步发电机的全系统数学模型；然后设计基于模型参考自适应系统(ModelReferenceAdaptiveSystem，MRAS)的辨识算法跟踪永磁同步发电机电感、磁链的参数摄动，以及涡簧动力源转矩、转动惯量的实时变化；再利用辨识得到的实时参数建立发电系统数学模型以最大程度消除内外参数扰动带来的建模误差，根据建立的模型，结合自适应与反步控制设计系统的非线性反步控制器，实现系统在外部参数时变和内部参数存在不确定性条件下转速和电流精确跟踪控制。上述机械弹性储能用永磁同步发电机的控制方法，所述方法包括以下步骤：a.根据机械弹性储能用永磁同步发电机的实际运行参数，建立永磁同步发电装置的全系统数学模型：Tb＝Tbf-c1δ＝Tbf-c1ωst其中：ud，uq分别为发电机d，q轴定子电压；id，iq分别为d，q轴定子电流；Rs为定子电阻；Ls为定子电感；np为极对数；ωr为发电机旋转角速度；为永磁磁通；Tb为永磁同步发电机的输入力矩，即储能箱弹性势能提供的外部力矩；J为机械弹性储能机组的转动惯量；D为粘性摩擦系数；Tbf为涡簧箱储满能量时的扭矩；ωs为涡簧芯轴的转速；δ是在外力矩Tb的作用下忽略涡簧厚度对变形角度影响时转角的增加值；Je0为涡簧完全拧紧时的转动惯量；ns为涡簧总的储能圈数；c1为涡簧扭矩系数，是一个常量，对于矩阵截面的涡簧，E、b、h和L分别表示涡簧材料的弹性模量、宽度、厚度和长度；t是外力矩的作用时间。b.设计基于MRAS及Popov超稳定性理论的永磁同步发电机参数辨识算法：其中：和分别为电感和磁链的待辨识值；ki1、ki2、kp1、kp2是正的PI控制参数；和分别为MRAS辨识模型中的q轴和d轴电流，t为辨识时间，也是外力矩的作用时间。通过以上两式，可辨识出运行过程中永磁同步发电机的电感和磁链实时值。c.设计基于模型参考自适应系统(MRAS)及Popov超稳定性理论的涡簧箱参数辨识算法：式中：和分别为转动惯量和转矩的待辨识值；ki3、ki4、kp3、kp4是正的PI控制参数；是辨识模型中发电机转速，t为辨识时间。通过以上两式可辨识出时变的转动惯量和动力源转矩。d.设计自适应反步控制器ud和uq以及描述电阻变化的自适应律其中：k1、k2和k3是控制器参数；ΔRs为发电过程电阻参数的扰动，为电阻参数扰动的一阶导数；α＝ωr-ωr*是转速的跟踪误差，ωr*是转速的跟踪目标值；β＝iq-iq*是q轴电流的跟踪误差，iq*是q轴电流的跟踪目标值；γ＝id-id*是d轴电流的跟踪误差，id*是d轴电流的跟踪目标值；rs为一个有限的正数；是目标控制转速的二阶导数。e.将控制器ud和uq作为永磁同步发电机全系统数学模型的输入控制信号，实现对永磁同步发电机的控制。本专利技术针对永磁电机式机械弹性储能系统内外部非线性扰动，首先设计基于MRAS的辨识算法跟踪电感，磁链的参数摄动，动力源转矩以及辨识转动惯量的实时变化，另一方面，利用辨识得到的实时参数建立发电系统模型以最大程度消除内外参数扰动带来的建模误差，根据所建立的模型，通过结合自适应与反步控制推导出系统的非线性反步控制器，以实现系统在外部参数时变和内部参数存在不确定性条件下的快速动态响应和转速精确控制，保证电机输出高质量电能。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1是永磁发电机组全系统模型；图2、图3、图4、图5是永磁同步发电机以及涡簧箱参数辨识；图6、图7、图8是系统状态输出。文中各符号为：ud，uq分别为d，q轴定子电压；id，iq分别为d，q轴定子电流；Rs为定子电阻；Ls为定子电感；np为极对数；ωr为发电机旋转角速度；为永磁磁通；Tb为输入力矩，即储能箱弹性势能提供的外部力矩；J为MEES机组的转动惯量；D为粘性摩擦系数；Tbf为涡簧箱储满能量时的扭矩；ωs为涡簧芯轴的转速；δ是在外力矩Tb的作用下，忽略涡簧厚度对变形角度的影响，转角的增加值；Je0为涡簧完全拧紧时的转动惯量；ns为涡簧总的储能圈数；c1为涡簧扭矩系数，是一个常量，对于矩阵截面的涡簧，E、b、h和L分别表示涡簧材料的弹性模量、宽度、厚度和长度；t是外力矩的作用时间；和分别为电感和磁链的待辨识值；ki1、ki2、kp1、kp2是正的PI控制参数；和分别为MRAS辨识模型中的q轴和d轴电流；和分别为转动惯量和转矩的待辨识值；ki3、ki4、kp3、kp4是正的PI控制参数；是辨识模型中发电机转速；k、k1和k2是控制器参数；ΔRs为发电过程电阻参数的扰动，为电阻参数的扰动一阶导数；α＝ωr-ωr*，是转速的跟踪误差，ωr*是转速的跟踪目标值；β＝iq-iq*，是q轴电流的跟踪误差，iq*是q轴电流的跟踪目标值；γ＝id-id*是d轴电流的跟踪误差，id*是d轴电流的跟踪目标值；rs为一个有限的正数；是目标控制转速的二阶导数。具体实施方式本专利技术由以下技术方案实现：1.永磁同步发电机数学建模如附图1所示，永磁同步发电装置全系统模型主要包括储能箱，电磁制动器，转矩传感器，联轴器，升速箱，永磁同步发电机，变流器，系统监控单元等组成。假设定子绕组d轴电感Ld等于定子绕组q轴电感Lq，且它们的值均为Ls，那么，永磁同步发电机在dq轴同步旋转坐标系下的数学模型可写为：其中：ud，uq分别为d，q轴定子电压；id，iq分别为d，q轴定子电流；Rs为定子电阻；Ls为定子电感；np为极对数；ωr为发电机旋转角速度；为永磁磁通；Tb为输入力矩，即储能箱弹性势能提供的外部力矩；J为MEES机组的转动惯量；D为粘性摩擦系数；t为工作时间；发电过程中，储能箱转矩和系统转动惯量可由以下两方程表示：Tb＝Tbf本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于参数辨识的机械弹性储能用PMSG控制方法，其特征是，所述方法首先建立由涡簧箱、齿轮变速箱和永磁同步发电机组成的永磁同步发电装置的全系统数学模型；然后根据MRAS和Popov超稳定理论设计能辨识发电机参数(电感和磁链)和储能箱参数(转矩和转动惯量)的两种辨识算法观测参数变化，然后利用辨识值建模以最大程度的消除内外参数变化带来的建模误差；再通过设计自适应反步控制器，求得控制器和描述电阻变化的自适应律；最后将控制信号输入永磁同步发电机全系统数学模型中，实现永磁同步发电机的控制目标。

【技术特征摘要】
1.一种基于参数辨识的机械弹性储能用PMSG控制方法，其特征是，所述方法首先建立由涡簧箱、齿轮变速箱和永磁同步发电机组成的永磁同步发电装置的全系统数学模型；然后根据MRAS和Popov超稳定理论设计能辨识发电机参数(电感和磁链)和储能箱参数(转矩和转动惯量)的两种辨识算法观测参数变化，然后利用辨识值建模以最大程度的消除内外参数变化带来的建模误差；再通过设计自适应反步控制器，求得控制器和描述电阻变化的自适应律；最后将控制信号输入永磁同步发电机全系统数学模型中，实现永磁同步发电机的控制目标。2.根据权利要求1所述的一种基于参数辨识的机械弹性储能用PMSG控制方法，所述方法包括以下步骤：a.根据机械弹性储能用永磁同步发电机的实际运行参数，建立永磁同步发电装置的全系统数学模型：Tb＝Tbf-c1δ＝Tbf-c1ωst其中：ud，uq分别为d，q轴定子电压；id，iq分别为d，q轴定子电流；Rs为定子电阻；Ls为定子电感；np为极对数；ωr为发电机旋转角速度；为永磁磁通；Tb为永磁同步发电机的输入力矩，即储能箱弹性势能提供的外部力矩；J为机械弹性储能机组的转动惯量；D为粘性摩擦系数；Tbf为涡簧箱储满能量时的扭矩；ωs为涡簧芯轴的转速；δ是在外力矩Tb的作用下，忽略涡簧厚度对变形角度的影响，转角的增加值；Je0为涡簧完全拧紧时的转动惯量；ns为涡簧总的储能圈数；c1为涡簧扭矩系数，是一个常量，对于矩阵截面的涡簧，E、b、h和L分别表示涡簧材料的弹性模量、宽度、厚度和长度；t是外力矩的作用时间。b.设计基于MRAS及Popov超稳定性理论的永磁同步发电机参数辨识...

【专利技术属性】
技术研发人员：余洋，郭旭东，米增强，郑小江，孙辰军，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，国网河北省电力公司，
类型：发明
国别省市：河北,13