一種電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能快速平穩(wěn)跟蹤的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能快速平穩(wěn)跟蹤的控制方法，通過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能快速平穩(wěn)的跟蹤。對(duì)于轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)過(guò)程是這樣的：首先，由于穩(wěn)態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩須對(duì)應(yīng)于最佳轉(zhuǎn)矩曲線在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的值，故初步確定了電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)的函數(shù)形式然后運(yùn)用小信號(hào)分析法和拉普拉斯變換得出從而確定轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系；接著根據(jù)轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度與風(fēng)速的關(guān)系設(shè)計(jì)電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)中補(bǔ)償系數(shù)Kc的數(shù)學(xué)表達(dá)式以消除風(fēng)速Vm對(duì)轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度影響；最后在消除了風(fēng)速對(duì)轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度影響的基礎(chǔ)上通過(guò)仿真確定補(bǔ)償系數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式中參數(shù)的值，使轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度達(dá)到一個(gè)合適的值。
【專利說(shuō)明】—種電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能快速平穩(wěn)跟蹤的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能快速平穩(wěn)跟蹤的控制技術(shù)，屬于電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]變速風(fēng)電系統(tǒng)目前一般采用最大風(fēng)能跟蹤控制，這種控制方法的核心在于捕獲風(fēng)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)。由于風(fēng)速的隨機(jī)性與風(fēng)電系統(tǒng)的非線性，最大功率點(diǎn)捕獲比較困難，也是風(fēng)力發(fā)電的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)捕獲方法有很多種，實(shí)際應(yīng)用較多的有爬山搜索法、功率反饋法、最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法等。爬山搜索法的原理是人為地施加轉(zhuǎn)速擾動(dòng)變化量，根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的變化確定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制增量，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速趨于給定，反復(fù)執(zhí)行上述搜索策略，直到風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)。這種方法的缺陷在于對(duì)慣性較大的大型風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤所需的時(shí)間較長(zhǎng)，在風(fēng)速持續(xù)變化的情況下其控制性能將受到影響，而且采用固定的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，當(dāng)風(fēng)速變化幅度大時(shí)很難及時(shí)追蹤最優(yōu)速度，也很難抑制因風(fēng)速噪聲引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。功率反饋法的原理則是測(cè)量出風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，并根據(jù)風(fēng)力機(jī)的最大功率曲線，計(jì)算出與該轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)的最大輸出功率，將它作為風(fēng)力機(jī)的輸出功率給定值并與發(fā)電機(jī)輸出功率的觀測(cè)值相比較得到誤差量，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。這種方法也存在一定缺陷，即風(fēng)速的不同將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度的差別，具體地講就是當(dāng)風(fēng)速變化量相同時(shí)，風(fēng)速較低的區(qū)域轉(zhuǎn)子響應(yīng)較慢；風(fēng)速較高的區(qū)域轉(zhuǎn)子響應(yīng)較快。當(dāng)同一風(fēng)速區(qū)域下風(fēng)速變化量不同時(shí)，風(fēng)速變化量越大則轉(zhuǎn)子響應(yīng)越快。轉(zhuǎn)子的響應(yīng)速度直接影響到最大風(fēng)能跟蹤響應(yīng)速度，如果跟蹤響應(yīng)速度過(guò)慢，風(fēng)力機(jī)將損失部分功率；反之，將產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)風(fēng)力機(jī)軸造成損傷。最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法的原理與功率反饋法原理相類似，不同點(diǎn)在于這種方法的控制思想是基于已知的最佳轉(zhuǎn)矩曲線而不是最大功率曲線，通過(guò)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，使得發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)跟蹤此最優(yōu)曲線(由最優(yōu)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)組成)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率捕獲點(diǎn)。由于這種方法的原理與功率反饋法相類似，故這種方法的缺陷也與功率反饋法基本相同，即風(fēng)速對(duì)系統(tǒng)快速性和平穩(wěn)性的影響，在此不做贅述；綜上所述，目前較為常用的最大功率點(diǎn)捕獲方法普遍存在快速性和平穩(wěn)性不夠高的問(wèn)題，因此有必要提出一種提高最大風(fēng)能跟蹤系統(tǒng)的快速性和平穩(wěn)性的控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明的目的在于提出一種簡(jiǎn)單有效的永磁同步發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)目刂品椒?，從而能夠?qū)D(zhuǎn)子響應(yīng)速度進(jìn)行控制。該方法適用于所有永磁電機(jī)，無(wú)需增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制成本，只需修改控制軟件，簡(jiǎn)單有效。
[0004]技術(shù)方案:由于轉(zhuǎn)子的響應(yīng)速度直接影響到最大風(fēng)能跟蹤響應(yīng)速度，而如果跟蹤響應(yīng)速度過(guò)慢，風(fēng)力機(jī)將損失部分功率；反之，將產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)風(fēng)力機(jī)軸造成損傷。所以要改善最大風(fēng)能跟蹤系統(tǒng)的快速性和平穩(wěn)性就必須從控制轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度入手。該方法在傳統(tǒng)的基于最佳轉(zhuǎn)矩法的最大風(fēng)能跟蹤控制系統(tǒng)中添加了電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)，首先，由于穩(wěn)態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩須對(duì)應(yīng)于最佳轉(zhuǎn)矩曲線在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的值，故初步確定了電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)的函數(shù)形式《Λ,-7:)，其中:K。為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償系數(shù)，T.為原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Τ:為電
磁轉(zhuǎn)矩初步給定值，使電磁轉(zhuǎn)矩給定值經(jīng)補(bǔ)償后由Τ:變?yōu)門: = τ: -Kc ΗΤ,-Τ:)；
[0005]然后結(jié)合風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)方程Pni=0.5p JiR2Cp(G^V111)Vni3和發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程
J~^; = Tm -1以及最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線Te = kopt ω2推導(dǎo)出函數(shù)關(guān)系6 = )，式中:Pm為風(fēng)力
機(jī)輸出機(jī)械功率，P為空氣密度，R為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑，VmS風(fēng)速，ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，?是風(fēng)
輪轉(zhuǎn)速對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Tffl為原動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Te為電機(jī)





// (!)
的電磁轉(zhuǎn)矩，k_為決定于風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的常數(shù)，.為Y ;運(yùn)用小信號(hào)分析法和拉普拉斯變換


對(duì)/}—進(jìn)行處理，從而確定轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系7^77+ = ，式中: s為拉普拉斯運(yùn)算子，為傳遞函數(shù)極點(diǎn)，它是關(guān)于Vm的正比例函數(shù)，a2為傳遞函數(shù)增益，它也是關(guān)于Vm的正比例函數(shù)；接著用補(bǔ)償后的電磁轉(zhuǎn)矩IV = Te-Kc^(Tffl-Te)代替電機(jī)運(yùn)動(dòng)方
程中的Te，數(shù)值上:C =:C，Te = T:；采用與上述相同的方法得到響應(yīng)速度與風(fēng)速的函數(shù)
Δω(Λ') α[
關(guān)系λ ,/ ,、=一"7，式中a/為傳遞函數(shù)極點(diǎn),表達(dá)式為a/ =ai(Kc+l), a2'為傳遞函數(shù) ^vmKs) s-at
增益，表達(dá)式為a2' =a2(Kc+l)，由于a1、a2為關(guān)于Vm的正比例函數(shù)，為了消除風(fēng)速Vm對(duì)轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度影響，將電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)中補(bǔ)償系數(shù)K。的數(shù)學(xué)表達(dá)式設(shè)定為& -1，式中:





m
k為常數(shù)；
[0006]最后在消除了風(fēng)速對(duì)轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度影響的基礎(chǔ)上，在以風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速和切出風(fēng)速為區(qū)間端點(diǎn)的區(qū)間內(nèi)對(duì)k進(jìn)行試值，觀察轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在各個(gè)風(fēng)速下的仿真波形，通過(guò)比較選取一個(gè)在各個(gè)風(fēng)速下都能使轉(zhuǎn)速響應(yīng)達(dá)到較好快速性同時(shí)使輸出轉(zhuǎn)矩有較高平穩(wěn)性的值，作為k的最終確定值。
[0007]經(jīng)過(guò)上述方法得到的補(bǔ)償后的電磁轉(zhuǎn)矩在靜態(tài)工作點(diǎn)之間的過(guò)渡過(guò)程中不再沿著最佳轉(zhuǎn)矩曲線，而沿著另一種軌跡變化，讓轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度達(dá)到一個(gè)合適的值，從而使系統(tǒng)在各個(gè)風(fēng)速下都具有較高的快速性和平穩(wěn)性。
[0008]有益效果:由于本發(fā)明的技術(shù)實(shí)施對(duì)象為永磁同步電機(jī)，采用較為成熟的轉(zhuǎn)矩控制策略，因此，該補(bǔ)償方法只需修改控制軟件，無(wú)需增加系統(tǒng)成本，簡(jiǎn)單易行。具體有如下優(yōu)
占-
^ \\\.[0009]1.采用所提出的電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制方法，消除了風(fēng)速對(duì)最大風(fēng)能跟蹤的影響，使得各個(gè)風(fēng)速下的跟蹤響應(yīng)速度相一致，并且可以根據(jù)各種情況人為地改變跟蹤速度；
[0010]2.通過(guò)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩正補(bǔ)償使得由于高風(fēng)速所引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小了 ；
[0011]3.通過(guò)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩負(fù)補(bǔ)償，使低、中風(fēng)速情況下最大風(fēng)能跟蹤的快速性得以提高，減小了動(dòng)態(tài)過(guò)程中的能量流失；[0012]4.適用于任何永磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電的轉(zhuǎn)矩控制，且只需對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的給定進(jìn)行適當(dāng)改動(dòng)，簡(jiǎn)單易行。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明所提出的電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能快速平穩(wěn)跟蹤的控制系統(tǒng)框圖。其中包括:滯環(huán)控制器1、開(kāi)關(guān)表模塊2、變頻器3、磁鏈觀測(cè)和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊4、永磁同步電機(jī)5、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊6、最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線模塊7。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如圖1所示，系統(tǒng)利用電壓、電流傳感器檢測(cè)到直流母線電壓和定子電流，再通過(guò)磁鏈觀測(cè)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊4計(jì)算出當(dāng)前磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的值。實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線模塊7得到電磁轉(zhuǎn)矩初步給定值，在此基礎(chǔ)上加上轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)玫阶罱K的電磁轉(zhuǎn)矩給定值。將電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的給定值分別與當(dāng)前電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的計(jì)算值經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較器1，其輸出結(jié)果輸入開(kāi)關(guān)表2以確定開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而控制定子的空間矢量，以驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)5。其中，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊6的設(shè)計(jì)如下:首先，由于穩(wěn)態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩須對(duì)應(yīng)于最佳轉(zhuǎn)矩曲線在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的值，故初步確定電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)的函數(shù)形式為KATm-T:)(式中:K。為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償系數(shù)，Tm為原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，為電磁轉(zhuǎn)矩初
步給定值)使電磁轉(zhuǎn)矩給定值經(jīng)補(bǔ)償后由7:變?yōu)?C=?:-*(7；-7:);然后進(jìn)行理論
分析，結(jié)合風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)方程式Pm=0.5p JiR2Cp(Q1Vm)Vm3 (式中:Pm為風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率，P為空氣密度，R為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑，Vm為風(fēng)速，ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，Cp為風(fēng)能利用系
數(shù))和發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程= Tm(式中:J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Tm為原動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Te為


at
電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩)以及最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線Te = I^ptCO2 (式中=I^pt為決定于風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的常數(shù))推導(dǎo)出函數(shù)關(guān)系,>(式中:.為，)，就是將Tm=U5fmR-Cp(0),VmWm
【權(quán)利要求】
1. 一種電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能快速平穩(wěn)跟蹤的控制方法，其特征在于：該方法在 傳統(tǒng)的基于最佳轉(zhuǎn)矩法的最大風(fēng)能跟蹤控制系統(tǒng)中添加了電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)，首先，由于 穩(wěn)態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩須對(duì)應(yīng)于最佳轉(zhuǎn)矩曲線在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的值，故初步確定了電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán) 節(jié)的函數(shù)形式，其中：K。為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償系數(shù)，Tm為原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，為電磁轉(zhuǎn)矩初步給定值，使電磁轉(zhuǎn)矩給定值經(jīng)補(bǔ)償后由T:變?yōu)門:= T:-Kc*(Tm-T：)；然后結(jié)合風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)方程P^O. 5p 3iR2Cp(?,Vm)Vm3和發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程= ^以及最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線1推導(dǎo)出函數(shù)關(guān)系& =式中：P-為風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率，P為空氣密度，R為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑，Vm為風(fēng)速，(0為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，力是風(fēng)輪 轉(zhuǎn)速對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Tffl為原動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩，I；為電機(jī)的(](?)電磁轉(zhuǎn)矩，k-為決定于風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的常數(shù)，.為運(yùn)用小信號(hào)分析法和拉普拉斯變換0) Ctl/S.(o{s) a,對(duì)A- fUn V、進(jìn)行處理，從而確定轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系= ，式中：A ^(5*) s-axS為拉普拉斯運(yùn)算子，ai為傳遞函數(shù)極點(diǎn)，它是關(guān)于Vm的正比例函數(shù)，a2為傳遞函數(shù)增益，它 也是關(guān)于的正比例函數(shù)；接著用補(bǔ)償后的電磁轉(zhuǎn)矩T=T-KL *(7；-r)代替電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程中的Te，數(shù)值上r/ = ，Te = T：;采用與上述相同的方法得到響應(yīng)速度與風(fēng)速的函數(shù) _ A⑴(‘s’） a二絲' ,,,,=-7，式中a/為傳遞函數(shù)極點(diǎn)，表達(dá)式為a/ =ai(Kc+l), a2'為傳遞函數(shù)A匕⑴ .v - a,增益，表達(dá)式為a2' =a2(Kc+l)，由于ai、a2為關(guān)于Vm的正比例函數(shù)，為了消除風(fēng)速Vm對(duì)轉(zhuǎn)子 響應(yīng)速度影響，將電磁轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)中補(bǔ)償系數(shù)K。的數(shù)學(xué)表達(dá)式設(shè)定為式中：mk為常數(shù)；最后在消除了風(fēng)速對(duì)轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度影響的基礎(chǔ)上，在以風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速和切出風(fēng)速為 區(qū)間端點(diǎn)的區(qū)間內(nèi)對(duì)k進(jìn)行試值，觀察轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在各個(gè)風(fēng)速下的仿真波形，通 過(guò)比較選取一個(gè)在各個(gè)風(fēng)速下都能使轉(zhuǎn)速響應(yīng)達(dá)到較好快速性同時(shí)使輸出轉(zhuǎn)矩有較高平 穩(wěn)性的值，作為k的最終確定值。
【文檔編號(hào)】F03D7/04GK103485978SQ201310478739
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】樊英, 夏子朋, 張麗, 顧玲玲 申請(qǐng)人:東南大學(xué)