CN104967387B - 一种光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法。本发明的有益效果在于，基于无位置传感器的矢量控制方式，采用了转速限幅环和直流电压环并联的外环控制策略，在阵列最大输出功率大于额定机泵功率时，转速限幅环起作用，将电机转速稳定在额定转速上，进而保证电机不会超速，提高了系统的安全性和可靠性；测量水泵负载转矩采用简单的VF开环控制方式，通过改变给定频率改变水泵转速以计算各个转速对应的负载转矩，并将水泵负载特性通过二次曲线的形式描绘出来；载荷状态下在线测量系统转动惯量，无需水泵空载运行，即使带载情况下也能较为方便的测量转动惯量，且采用了多次测量求取平均值的方式，测量结果更为准确。

Description

一种光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法，属于光伏水泵变频器技术领域。

背景技术

光伏水泵变频器利用光伏阵列的能量，驱动光伏水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。光伏水泵系统中水泵转速必须限制在额定转速以下，以保证水泵及电机不会过载。在光伏阵列最大输出功率大于水泵电机额定功率时，水泵电机变频器必须进入功率限幅状态，限制电机功率不超过额定功率运行，一般有3种方法：1)频率限幅，该方式可以用于VVVF稳压工作模式，输出指令频率不超过额定频率，电机就不会超速过载。但该方式的阵列电压稳定性能较差，电压调节器参数难以优化选择。2)力矩电流限幅，由于水泵负载力矩与转速平方成正比，限制了力矩电流，就限制了转速。但其存在力矩电流设定准确问题，及可能存在打干空转现象，这样电机有可能还是超速过载或不会输出额定功率导致发生飞车现象。3)转速限幅控制方式，该方式必须准确测量电机转速，在阵列最大功率大于额定机泵功率时，转速限幅环起作用，电机转速稳定在额定转速上，进而保证电机不会超速。

方式3)基于无位置传感器矢量控制方式，该方式由于力矩响应特性好，因而具有良好的电压稳定控制能力。转速限幅控制器一般采用典型的PI调节器，调节器参数选择关系到转速环的稳定性和响应特性，由于转速限幅为额定转速，现场要求阵列最大功率必须大于电机额定功率，即使手动试验调节，日照条件有时也难以满足，不很方便，因此要求在线优化设计转速调节器，调节器参数优化方法较为成熟，但其关键参数的确定需要已知系统的转动惯量。获取转动惯量的方法有多种，已经提出的测试方法大都基于空载测量，实际条件不允许水泵空载运行，因此要求带载优化转速调节器。载荷下如何获得负载转矩值至关重要，水泵负载转矩与转速的二次方成正比，采用一般的测量方法难以准确估算，已有的载荷下辨识转动惯量的方法主要使用参数自适应算法进行求解，不需要测量负载转矩，但计算复杂，对系统的控制性能要求很高。

基于以上原因，本发明提出了光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法，光伏水泵系统可以在线自动实现转速调节器参数的设定，使转速调节器性能最优。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法，提供一种光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法，实施起来更为可靠，通用性好，控制方法简单且计算简便，在现场调试过程中实用性强。

本发明是通过以下技术方案来实现的。

1)本发明光伏水泵系统的控制方式为无位置传感器的矢量控制模式，控制系统内环为转矩环和磁链环，而外环采用了直流电压环和转速限幅环的并联形式，其输出之和作为转矩电流的给定i_q ^*。当光伏水泵系统在额定功率以下运行时，转速调节器不起作用，其输出为0，仅电压调节器起最大功率点稳压的作用；当光伏阵列最大输出功率大于水泵电机额定功率，此时停止对最大功率点的搜索，同时电压调节器以限幅值输出，而转速调节器发挥转速限幅控制的作用，将水泵转速限制在额定转速上。

2)VF开环控制方式下，系统在某一转速下稳定运行后计算得到该转速下的负载转矩，且通过控制给定频率改变水泵转速以进行多次测量，其中给定频率从额定频率的30％逐渐增加至60％，最终得到负载转矩和转速的对应关系，即T_L＝f(Ω_r)。

3)负载特性已知后，载荷状态下测量光伏水泵系统的转动惯量J，且重复多次测量求取平均值；

4)对转速调节器进行动态优化设计，推导得到调节器参数计算公式，并将测量的转动惯量J代入计算公式得到优化后的调节器参数。

进一步地，当系统在某一转速下稳定运行时水泵电机输出转矩T_e和负载转矩T_L平衡，即T_e＝T_L。

进一步地，测量转动惯量时，首先采用斜坡加速的方式使电机加速至额定频率的30％，稳定运行一段时间后，在转矩控制下加速至额定频率的60％，然后在VF控制下减速至额定频率的30％，按这种先加速再减速的方式重复执行3次，最终在VF控制下减速停机，由此可计算出光伏水泵系统载荷状态下转动惯量的平均值。

进一步地，当电机参数已知时，在测量出光伏水泵系统的转动惯量J后，转速调节器参数也随之确定下来。

本发明的有益效果：

1)当光伏阵列最大输出功率大于系统额定功率，或出现打干空转导致水泵即将发生飞车的情况时，转速调节器起到转速限幅控制的作用，将水泵转速限制在额定转速上，进而保证电机不会超速，大大提高了系统的安全性和可靠性；

2)测量水泵负载转矩采用了简单的VF控制方式，控制策略简单，通过改变给定频率测量计算出各个转速对应的负载转矩，将水泵负载特性通过二次曲线的形式描绘出来，在现场调试过程中实用性强。

3)载荷状态下在线测量系统转动惯量，无需水泵空载运行，即使带载的情况下也能较为方便的测量转动惯量，且采用了多次测量求取平均值的方式，测量结果更为准确，并且测量方法的通用性很好，计算简便，实施起来更为可靠。

附图说明

图1为本发明光伏水泵系统的转速限幅控制框图；

图2为本发明光伏水泵系统负载转矩计算过程示意图；

图3为本发明光伏水泵系统载荷状态下转动惯量辨识示意图；

图4为本发明光伏水泵系统转速调节器优化的动态结构框图；

图5为本发明光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计流程图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

一种光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法，包括以下步骤：

(1)本发明光伏水泵系统的控制方式为无位置传感器的矢量控制模式，控制系统内环为转矩环和磁链环，而外环采用了直流电压环和转速限幅环的并联形式，其输出之和作为转矩电流的给定i_q ^*。如图1所示，当光伏水泵系统在额定功率以下运行时，转速调节器不起作用，其输出为0，仅电压调节器起最大功率点稳压的作用；当光伏阵列最大输出功率大于水泵电机额定功率，此时停止对最大功率点的搜索，同时电压调节器以限幅值输出，而转速调节器发挥转速限幅控制的作用，将水泵转速限制在额定转速上。

(2)本发明转速调节器的在线学习优化设计过程如图5所示，对转速调节器优化设计主要通过以下几个步骤实现：1)建立水泵负载转矩和转速的对应关系T_L＝f(Ω_r)；2)已知水泵负载后对转动惯量J进行带载测量；3)对转速调节器进行动态优化设计，得到调节器参数计算公式，并将转动惯量测量值代入计算得到调节器参数。下面介绍各个步骤的具体实现过程。

(3)水泵负载为二次型负载，即负载转矩^T _L与角速度^Ω _r成平方关系，用公式表示为：

T_L＝AΩ_r ²+BΩ_r+C (1)

式中，A，B，C为负载转矩的特性系数。测量水泵负载转矩时采用VF开环控制方式，当系统在某一转速下稳定运行时电机电磁转矩和负载转矩平衡，即T_e＝T_L，如图2所示，由磁链观测计算得到转子磁链ψ_r，并由下式计算该转速下系统的负载转矩：

式中，n_P为电机极对数；L_m为电机互感；L_r为电机转子自感；ψ_α，ψ_β为两相静止坐标系下的转子磁链；i_α，i_β为两相静止坐标系下的定子电流。通过控制给定频率改变水泵转速以测量各个转速下对应的负载转矩值，其中给定频率从额定频率的30％逐渐增加至60％，最终由测量得到的数据拟合出负载转矩的特性系数A，B，C。

(4)如图3所示，f₁和f₂分别为水泵电机额定频率的30％和60％，则本发明光伏水泵系统转动惯量在线辨识过程是：首先水泵电机在VF控制方式下启动并采用斜坡加速的方式使电机加速至额定频率的30％，等到稳定运行一段时间后，在转矩控制下先加速至额定频率的60％，然后在VF控制下减速至额定频率的30％，按这种先加速再减速的方式重复执行3次，最终在VF控制下减速停机。转动惯量J由机械运动方程描述为：

对公式3作一定变形可得：

式中，ΔΩ_r为加速过程中的转速变化量。在转矩模式下控制水泵电机输出转矩T_e保持恒定，且由公式1计算得到负载转矩T_L，则整个加速过程中输出转矩减负载转矩的积分项∫T_e-T_Ldt可以计算出来。如图5所示，每执行完一次加速过程后，_i加1，并且将积分值∫T_e-T_Ldt和转速变化量ΔΩ_r代入公式4得到转动惯量J_i，当i计数到3时光伏水泵系统载荷状态下转动惯量的平均值

(5)本发明光伏水泵系统转速调节器优化的动态结构框图如图4所示，转速环给定n^*为电机额定转速n_e，反馈为实际转速n，控制器选用PI调节器，转速环输出作为电流环的给定，整个电流环简化为一个时间常数为T_Σi的小惯性环节。由图4可得转速环的开环传递函数：

式中，K_P为PI调节器的比例系数；τ_n为PI调节器积分时间常数；T_n为转速滤波时间常数。

按典型Ⅱ型系统设计调节器参数，可得转速调节器比例系数K_p和积分系数K_i：

式中，h＝5。由公式6和公式7可知，当电机参数确定以后，转速调节器参数仅与转动惯量有关，则在得到转动惯量之后调节器参数也随之确定下来。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法，其特征在于，步骤包括：

1)控制方式为无位置传感器的矢量控制模式，控制系统内环为转矩环和磁链环，而外环为直流电压环和转速限幅环的并联形式，其输出之和作为转矩电流的给定i_q ^*，当光伏水泵系统在水泵电机额定功率以下运行时，转速调节器输出为0，仅电压调节器起最大功率点稳压的作用；当光伏阵列最大输出功率大于水泵电机额定功率，此时停止对最大功率点的搜索，同时电压调节器以限幅值输出，转速调节器将水泵转速限制在额定转速上；

2)VF开环控制方式下，系统在某一转速下稳定运行后计算得到该转速下的负载转矩，且通过控制给定频率改变水泵转速以进行多次测量，其中给定频率从额定频率的30％逐渐增加至60％，最终得到负载转矩和转速的对应关系，即T_L＝f(Ω_r)；

3)负载特性已知后，载荷状态下测量光伏水泵系统的转动惯量J，且重复多次测量求取平均值；

4)对转速调节器进行动态优化设计，推导得到调节器参数计算公式，并将测量的转动惯量J代入计算公式得到优化后的调节器参数。

2.根据权利要求1所述的光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法，其特征在于，当系统在某一转速下稳定运行时水泵电机输出转矩T_e和负载转矩T_L平衡，即T_e＝T_L。

3.根据权利要求2所述的光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法，其特征在于，由磁链观测计算得到转子磁链ψ_r，并由下式计算该转速下系统的负载转矩：

<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>r</mi> </msub> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，n_P为电机极对数；L_m为电机互感；L_r为电机转子自感；ψ_α，ψ_β为两相静止坐标系下的转子磁链；i_α，i_β为两相静止坐标系下的定子电流。

4.根据权利要求2所述的光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法，其特征在于，测量转动惯量时，首先采用斜坡加速的方式使电机加速至额定频率的30％，稳定运行一段时间后，在转矩控制下加速至额定频率的60％，然后在VF控制下减速至额定频率的30％，按这种先加速再减速的方式重复执行3次，最终在VF控制下减速停机，由此可计算出光伏水泵系统载荷状态下转动惯量的平均值。

5.根据权利要求4所述的光伏水泵系统转速调节器的在线学习优化设计方法，其特征在于，转动惯量J为：

<mrow> <mi>J</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>L</mi> </msub> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;&amp;Omega;</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，ΔΩ_r为加速过程中的转速变化量，在转矩模式下控制水泵电机输出转矩T_e保持恒定，且由T_L＝AΩ_r ²+BΩ_r+C计算得到负载转矩T_L，其中，A，B，C为负载转矩的特性系数，则整个加速过程中输出转矩减负载转矩的积分项∫T_e-T_Ldt可以计算获得，每执行完一次加速过程后，i加1，并且将积分值∫T_e-T_Ldt和转速变化量ΔΩ_r代入得到转动惯量J_i，当i计数到3时光伏水泵系统载荷状态下转动惯量的平均值