CN108227498B - 一种永磁直驱式传动轴系扭振强制稳定控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种永磁直驱式传动轴系扭振强制稳定控制方法，具体包括以下步骤：S1：确定低速大扭矩永磁电机1直接驱动下系统传动轴系的机电耦合动力学模型；S2：进行系统全状态反馈调节器的构建；S3：进行系统输入时滞整形器的构建；S4：整合系统全状态反馈调节器与系统输入时滞整形器，进行系统扭振强制稳定控制器的构建；S5：根据数值仿真结果进行系统扭振强制稳定控制器控制参数的调节；经过上述各步骤后，设计结束。本发明从源头上避免激起传动轴系的扭振，可显著地提高常规闭环控制器的鲁棒性，达到有效抑制传动轴系扭振的目的，为低速大扭矩永磁电机在直接驱动领域的安全可靠运用提供保障。

Description

一种永磁直驱式传动轴系扭振强制稳定控制方法
技术领域
本发明涉及传动轴系扭振控制技术领域，具体涉及一种永磁直驱式传动轴系扭振强制稳定控制方法。
背景技术
随着不可再生能源的日益短缺、以及燃烧化石能源所引起环境问题的日益突出，加快发展新能源，走可持续发展道路势在必行。近年来，风力发电以其充分的安全性和清洁性，已成为各国迅速发展的可再生能源发电方式。
风力发电机组控制的主要目的是在最大限度捕获风能以及减少对电网冲击的基础上向电网提高恒频恒压的高质量电能。现阶段，变桨距系统一方面可以在风速变化时自动调节桨距角，实现对风能的最大限度捕获；另一方面，在高风速区能保持风力发电机系统的安全稳定运行，已成为兆瓦级风力发电机组的必要关键技术。传统的变桨距系统采用异步电机配合减速器的传动方式，这种机电传动方式传动线路长，传动环节多，很容易出现诸多故障，并且由于变桨距传动机构一般安装在塔架上，一旦发生故障，其设备维修更换难度大。采用低速大扭矩永磁电机直接驱动风力发电机变桨距系统可以有效减少系统传动环节，避免使用减速机这一现有传动方式中故障率最高的部件，达到有效提高系统可靠性的目的。但是，采用低速大扭矩永磁电机直接驱动风力发电机变桨距系统，中间传动机构显著变少，系统传动轴所传递的扭矩将会显著变大，所表现的机电耦合扭转振动现象将更加明显。因此，为了确保低速大扭矩永磁电机在风力发电机变桨距系统上的有效利用，首先需要对系统传动轴系机电耦合扭振进行有效控制。
现有的关于传动轴系扭振控制方法，由于大都是针对“异步电机+减速器”这类传动方式，很少考虑驱动端输出特性对系统传动轴系扭振的影响。但是对于低速大扭矩永磁电机直接驱动的风力发电机变桨距系统，由于采用低速大扭矩永磁电机直接驱动风力发电机桨叶，系统传动轴系所传递的扭矩将会显著变大，扭振能量在电机端的电磁能和系统传动轴系的动能之间交换存储，电气系统和机械系统在一定条件下正好组成自激振动的基本系统，必然有可能发生自激扭转振动，继而导致灾难性的后果。因此，针对低速大扭矩永磁电机直接驱动的风力发电机变桨距系统，怎样进行系统传动轴系机电耦合扭振的强制稳定控制成为目前亟需解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种永磁直驱式传动轴系扭振强制稳定控制方法，克服现有技术在永磁直驱式风力发电机变桨距传动轴系扭振控制上的不足，从低速大扭矩永磁电机驱动控制角度考虑，避免发生自激扭转振动现象，最终实现风力发电机变桨距传动轴系扭振强制稳定控制的目的。
为了实现上述目的，本发明提供一种永磁直驱式传动轴系扭振强制稳定控制方法，具体包括以下步骤：
S1：建立低速大扭矩永磁电机直接驱动下系统传动轴系的机电耦合动力学模型，获取系统状态信息
基于拉格朗日—麦克斯韦原理，对低速大扭矩永磁电机直接驱动下的传动轴系进行分析，建立传动轴系全局机电耦合动力学模型，并将该动力学模型转换为状态空间模型，获取系统状态信息；
S2：构建系统全状态反馈调节器
根据步骤S1中得到的状态空间模型，依据极点配置法和Ackermann公式法构建系统全状态反馈调节器，对影响低速大扭矩永磁电机直接驱动下传动轴系动态特性的主动态极点进行强制配置；
S3：构建系统输入时滞整形器
根据步骤S2中强制配置的传动轴系主动态极点，构建系统输入时滞整形器，对低速大扭矩永磁电机输出驱动信号进行时滞整形；
S4：整合系统全状态反馈调节器与系统输入时滞整形器，构建系统扭振强制稳定控制器
结合步骤S2中构建的系统全状态反馈调节器和步骤S3中构建的系统输入时滞整形器，构建系统扭振强制稳定控制器，其中，系统输入时滞整形器位于系统全状态反馈调节器的闭环外；
S5：根据数值仿真结果调整控制参数
在MATLAB/SIMULINK中搭建低速大扭矩永磁电机直接驱动下的传动轴系仿真模型，并在仿真模型中进行数值仿真验证控制参数的有效性，根据数值仿真验证的结果对步骤S4中构建的系统扭振强制稳定控制器控制参数进行调节，直至控制效果达到要求；
S6：设计结束。
与现有技术相比，本发明在对低速大扭矩永磁电机直接驱动下风力发电机变桨距传动轴系扭振进行控制时，从全局机电耦合角度出发，考虑低速大扭矩永磁电机电磁参数与传动轴系机械参数的耦合效应，将影响风力发电机变桨距传动轴系动态特性的主动态极点强制配置到期望位置，并对低速大扭矩永磁电机输出驱动信号进行时滞整形，从源头上避免了激起传动轴系的扭振，显著地提高了常规闭环控制器的鲁棒性，达到了有效抑制传动轴系扭振的目的，为低速大扭矩永磁电机在风力发电机变桨距系统上的安全可靠运用提供了重要保障。
附图说明
图1为本发明的系统实施例示意图；
图2为本发明流程图；
图3为本发明中的系统扭振强制稳定控制器结构示意图；
图4为使用本发明的风力发电机变桨距传动轴系扭振控制效果图；
图中：1、低速大扭矩永磁电机，2、联轴器Ⅰ，3、风力发电机变桨距传动轴系，4、联轴器Ⅱ，5、桨叶滚筒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种使用本发明方法的风力发电机变桨距系统传动系统，低速大扭矩永磁电机1的输出轴通过联轴器Ⅰ2与风力发电机变桨距传动轴系3直接相连，风力发电机变桨距传动轴系3通过联轴器Ⅱ4与桨叶滚筒5连接，通过以上连接方式，实现低速大扭矩永磁电机1对桨叶滚筒5的直接驱动。通过合理设计低速大扭矩永磁电机直接驱动下的风力发电机变桨距系统扭振强制稳定控制器，可以确保低速大扭矩永磁电机1在风力发电机变桨距系统上的安全可靠运用。
如图2所示，本发明实施例的具体技术方案的步骤流程如下：
S1：建立低速大扭矩永磁电机1直接驱动下系统传动轴系的机电耦合动力学模型，获取系统状态信息
基于拉格朗日—麦克斯韦原理，对低速大扭矩永磁电机1直接驱动下的风力发电机变桨距传动轴系3进行分析，建立风力发电机变桨距传动轴系3全局机电耦合动力学模型，可表示为：
Figure BDA0001546085070000041
Figure BDA0001546085070000042
Figure BDA0001546085070000043
Figure BDA0001546085070000044
Figure BDA0001546085070000045
其中：J1、J2分别表示低速大扭矩永磁电机1输出轴与桨叶滚筒5转动惯量；K、C分别表示风力发电机变桨距传动轴系3扭转刚度与阻尼系数；θ1、θ2分别表示低速大扭矩永磁电机1输出轴转角及桨叶滚筒5转角；ia、ib、ic分别表示低速大扭矩永磁电机1三相定子电流；RA、RB、RC分别表示低速大扭矩永磁电机1三相定子电阻；LA、LB、LC分别表示低速大扭矩永磁电机1三相定子绕组自感；Hg表示低速大扭矩永磁电机1三相定子绕组互感；ψf表示低速大扭矩永磁电机1永磁体转子磁势；UA、UB、UC分别表示低速大扭矩永磁电机1三相定子输入电压；Tm为桨叶滚筒5负载转矩；α、β、γ分别表示桨叶滚筒所受摩阻转矩的常数项、一次项系数和平方项系数。
为了方便后期进行系统扭振强制稳定控制器的构建，首先对风力发电机变桨距传动轴系3全局机电耦合动力学模型进行直角坐标变换，并令
Figure BDA0001546085070000046
LA＝LB＝LC＝L，RA＝RB＝RC＝R，然后将该动力学模型转化为状态空间模型，可表示为：
Figure BDA0001546085070000051
其中：
Figure BDA0001546085070000052
Figure BDA0001546085070000053
S2：构建系统全状态反馈调节器
根据步骤S1中得到的状态空间模型，依据极点配置法和Ackermann公式法构建系统全状态反馈调节器，对影响低速大扭矩永磁电机1直接驱动下风力发电机变桨距传动轴系3动态特性的主动态极点进行强制配置
假设低速大扭矩永磁电机1直接驱动下风力发电机变桨距传动轴系3动态特性期望极点为
Figure BDA0001546085070000054
则系统特征多项式可表示为：
Figure BDA0001546085070000055
式中，
Figure BDA0001546085070000056
为与系统期望极点值有关的常量系数。
设系统全状态反馈调节器的反馈增益为Kg，则引入系统全状态反馈调节器后，步骤S1中的系统状态空间模型的系统矩阵应满足：
Figure BDA0001546085070000057
根据Ackermann公式法，系统全状态反馈调节器的反馈增益可表示为：
Figure BDA0001546085070000061
其中：C1＝[0 0 0 0 1]。
考虑对低速大扭矩永磁电机1直接驱动下风力发电机变桨距传动轴系3动态特性起主导作用的为一对主动态极点，配置这对主动态极点对应的阻尼比和固有频率分别为ξ＝0.09和ωn＝20rad/s，根据极点配置法配置系统期望极点为[-1.8+19.92i -1.8-19.92i-18.0 -19.0 -20.0]，其中前两个为主动态极点。本实施例中，相关物理参数为：R＝0.0413Ω，L＝1.2E-2H，Hg＝4.3E-4H，ψf＝0.13Wb，J1＝0.1766kg·m2，J2＝0.1746kg·m2。将相关物理参数代入，根据式(9)可计算系统全状态反馈调节器的反馈增益为[-2.60 1.60E042.76E05 -1.17E04 -1.33E04]。
S3：构建系统输入时滞整形器
根据步骤S2中强制配置的风力发电机变桨距传动轴系3主动态极点对应的阻尼比和固有频率，构建系统输入时滞整形器，对低速大扭矩永磁电机1输出驱动信号进行时滞整形
假设系统输入时滞整形器由两个脉冲组成，即系统输入时滞整形器具有如下形式：
Figure BDA0001546085070000062
其中，A1和t1分别表示系统输入时滞整形器第一个脉冲的幅值和时滞；A2和t2分别表示系统输入时滞整形器第一个脉冲的幅值和时滞；
为了保证低速大扭矩永磁电机1直接驱动下风力发电机变桨距传动轴系3运动达到预定输出点，要求系统输入时滞整形器的脉冲幅值和满足：
Figure BDA0001546085070000063
此外，为了保证低速大扭矩永磁电机1直接驱动下风力发电机变桨距传动轴系3扭振响应最终为0，要求：
Figure BDA0001546085070000071
将式(11)代入式(12)并且令t1＝0，可得：
Figure BDA0001546085070000074
Figure BDA0001546085070000072
其中，
Figure BDA0001546085070000073
根据式(13)与式(14)即可构建系统输入时滞整形器；
S4：整合系统全状态反馈调节器与系统输入时滞整形器，构建系统扭振强制稳定控制器
结合步骤S2中构建的系统全状态反馈调节器和步骤3中构建的系统输入时滞整形器，构建系统扭振强制稳定控制器，其中，系统输入时滞整形器位于系统全状态反馈调节器的闭环外，如图3所示；
由于步骤S3中构建的系统输入时滞整形器存在多个时滞环节，如果置于步骤S2设计的系统全状态反馈调节器的闭环中，则会影响控制系统的稳定性，因此，将系统输入时滞整形器置于系统全状态反馈调节器的闭环外，最终构成了系统扭振强制稳定控制器。
S5：根据数值仿真结果调整控制参数
在MATLAB/SIMULINK中搭建低速大扭矩永磁电机1直接驱动下的风力发电机变桨距传动轴系3系统仿真模型，并在仿真模型中进行数值仿真验证控制参数的有效性，根据数值仿真验证的结果对步骤S4中构建的系统扭振强制稳定控制器控制参数进行调节，直至控制效果达到要求,这里所指的控制效果是指转速差越来越小趋于平稳，低速大扭矩永磁电机1转速和桨叶滚筒5转速呈现收敛趋势，上述变化可以通过图像直接观察出来；
S6：设计结束；
本发明整个设计过程分为6个步骤，第一步确定低速大扭矩永磁电机1直接驱动下系统传动轴系的机电耦合动力学模型；第二步进行系统全状态反馈调节器的构建；第三步进行系统输入时滞整形器的构建；第四步整合系统全状态反馈调节器与系统输入时滞整形器，进行系统扭振强制稳定控制器的构建；第五步根据数值仿真结果进行系统扭振强制稳定控制器控制参数的调节；经过上述各步骤后，设计结束。
如图4所示，本实施例中，引入根据本发明构建的系统扭振强制稳定控制器控制前后，低速大扭矩永磁电机1直接驱动下的风力发电机变桨距传动轴系3扭振响应，可看出施加本发明中的系统扭振强制稳定控制器后，与控制前相比，风力发电机变桨距传动轴系3扭振由不稳定变为稳定，系统相图呈现收敛趋势，说明了本发明构建的系统扭振强制稳定控制器的有效性。
综上所述，本发明在对低速大扭矩永磁电机1直接驱动下风力发电机变桨距传动轴系3扭振进行控制时，从全局机电耦合角度出发，考虑低速大扭矩永磁电机1电磁参数与传动轴系机械参数的耦合效应，将影响风力发电机变桨距传动轴系3动态特性的主动态极点强制配置到期望位置，并对低速大扭矩永磁电机1输出驱动信号进行时滞整形，从源头上避免了激起传动轴系的扭振，显著地了提高常规闭环控制器的鲁棒性，达到了有效抑制传动轴系扭振的目的，为低速大扭矩永磁电机1在风力发电机变桨距系统上的安全可靠运用提供了重要保障。
另，本发明方法除用于低速大扭矩永磁电机1直接驱动下风力发电机变桨距传动轴系，还可用于其他低速大扭矩永磁电机1直驱式传动轴系，如煤矿综采设备皮带输送机的永磁直驱式传动轴系、刮板输送机的永磁直驱式传动轴系等等。

Claims (1)

1.一种永磁直驱式传动轴系扭振强制稳定控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：建立低速大扭矩永磁电机(1)直接驱动下系统传动轴系的机电耦合动力学模型，获取系统状态信息
基于拉格朗日—麦克斯韦原理，对低速大扭矩永磁电机(1)直接驱动下的传动轴系进行分析，建立传动轴系全局机电耦合动力学模型，并将该动力学模型转换为状态空间模型，获取系统状态信息；
S2：构建系统全状态反馈调节器
根据步骤S1中得到的状态空间模型，依据极点配置法和Ackermann公式法构建系统全状态反馈调节器，对影响低速大扭矩永磁电机(1)直接驱动下传动轴系动态特性的主动态极点进行强制配置；
S3：构建系统输入时滞整形器
根据步骤S2中强制配置的传动轴系主动态极点对应的阻尼比ξ和固有频率ωn，构建系统输入时滞整形器，对低速大扭矩永磁电机(1)输出驱动信号进行时滞整形；
设系统输入时滞整形器由两个脉冲组成，即系统输入时滞整形器具有如下形式：
Figure FDA0002455697130000011
其中，A1和t1分别表示系统输入时滞整形器第一个脉冲的幅值和时滞；A2和t2分别表示系统输入时滞整形器第一个脉冲的幅值和时滞；
要求系统输入时滞整形器的脉冲幅值和满足：
Figure FDA0002455697130000012
要求低速大扭矩永磁电机(1)直接驱动下传动轴系扭振响应最终为0，满足：
Figure FDA0002455697130000021
将式(11)代入式(12)并且令t1＝0，可得：
Figure FDA0002455697130000022
Figure FDA0002455697130000023
其中，
Figure FDA0002455697130000024
根据式(13)与式(14)即可构建系统输入时滞整形器；
S4：整合系统全状态反馈调节器与系统输入时滞整形器，构建系统扭振强制稳定控制器
结合步骤S2中构建的系统全状态反馈调节器和步骤S3中构建的系统输入时滞整形器，构建系统扭振强制稳定控制器，其中，系统输入时滞整形器位于系统全状态反馈调节器的闭环外；
S5：根据数值仿真结果调整控制参数
在MATLAB/SIMULINK中搭建低速大扭矩永磁电机(1)直接驱动下的传动轴系仿真模型，并在仿真模型中进行数值仿真验证控制参数的有效性，根据数值仿真验证的结果对步骤S4中构建的系统扭振强制稳定控制器控制参数进行调节，直至控制效果达到要求；
S6：设计结束。
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