CN110219774B - 一种水平轴风力偏航系统机舱悬浮控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水平轴风力偏航系统机舱悬浮控制方法，采用等分方法将风力机舱下转子绕组，分割为前后侧绕组，由两侧悬浮变流器独立控制，实现机舱轴向悬浮和俯仰抑制，构建风机偏航系统的两自由度悬浮模型，采用坐标变换法将两自由度悬浮模型转换成两侧气隙悬浮动态模型，基于Lyapunov函数设计了悬浮气隙模型主导项中模型参数的自适应控制，在线获取主导控制模型中参数，设计了两侧悬浮同步跟踪补偿器，消除两侧悬浮模型交叉耦合项对悬浮同步跟踪性能的影响。本发明将极大提高机舱悬浮稳定、干扰抑制以及两侧同步跟踪性能，提升风机磁悬浮偏航系统对风精度和捕获功率，同时对较重悬浮物的多点悬浮控制具有较强指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种水平轴风力偏航系统机舱悬浮控制方法，尤其是一种应用于水平轴风力发电系统机舱稳定悬浮后偏航对风，解决桨叶侧和尾翼侧迎风面积差异极易导致机舱俯仰，属于风力发电磁悬浮领域。
背景技术
风机偏航装置为大中型水平轴风力发电系统关键组件，可实现风机桨叶正面迎风，提升风能捕获功率，但较重风机机舱以及多电机多齿轮偏航传动机制，往往导致风机偏航功耗大、故障率高、对风精度差等问题，为此曲阜师范大学新能源研究所提出了风力磁悬浮偏航系统，极大降低机舱偏航功耗。专利2015109867562、2018100763345进行了基于Backstepping 自适应控制以及模型预测悬浮控制的研究，但仅考虑机舱轴向悬浮，但实际上风机机舱一般工作在80米高的塔架上，风机悬浮系统本质是非线性和不稳定性系统，特别是桨叶侧和尾翼侧迎风面积差异，极易导致机舱俯仰，仅考虑机舱轴向悬浮无法确保机舱悬浮稳定，严重影响风力机舱偏航稳定和悬浮气隙稳定，风机机舱悬浮后存在轴向、俯仰及旋转等多自由度运动，同时多自由度运行存在较大耦合和非线性问题，为此众多科研工作者先后进行了双端电磁悬浮解耦控制、基于逆系统方法的两轴运动平台解耦控制以及与内模相结合的解耦控制策略的研究，某种程度上实现了多自由度陀螺仪的转子悬浮位置精确控制，但普遍存在对耦合系统模型的精确度的依赖，严重制约风机机舱的悬浮稳定性以及偏航对风精确度。
发明内容
本发明目的是为克服上述现有技术的不足，提供了一种水平轴风力偏航系统机舱悬浮控制方法，其特征在于：风力机舱悬浮由盘式电机转子绕组完成，所述转子绕组包括前侧绕组和后侧绕组，两侧绕组产生合力轴向悬浮机舱，两侧绕组产生的差额力抑制机舱俯仰，所述前后侧绕组分别与前后侧H桥变流器电气联结，前后侧悬浮绕组的两侧设置气隙传感器，测量机舱前后侧悬浮高度和俯仰角度；所述前后侧绕组电流分别由前后侧H桥变流器控制，所述两侧悬浮电流控制采用两侧气隙自适应控制以及两侧同步控制协同完成悬浮电流参考设定；所述悬浮电流参考跟踪控制由H桥变流器独立完成；所述两侧气隙自适应控制采用自适应方法快速获取悬浮主导项模型参数，所述两侧同步控制采用同步跟踪自适应补偿控制器，确保机舱两侧悬浮运行同步，包括以下步骤：
步骤1，构建风力机舱的俯仰和轴向两自由度悬浮模型
(1)
式中，ω为俯仰角速度，θ为俯仰角度，F 1、F 2分别为前后侧悬浮电磁力， J m为机舱俯仰转动惯量，m为风力机舱质量；g为重力加速度；δ为轴向悬浮气隙；f d为机舱轴向干扰；T S为机舱倾覆力矩，R为机舱旋转半径。
步骤2 综合考虑偏航电流对风机机舱悬浮影响，构建机舱前后侧悬浮力方程
(2)
式中，μ 0为真空磁导率，N为两侧悬浮绕组匝数，S为磁极面积，i f1和i f2分别为前后侧悬浮电流，i sd和i sq为偏航绕组的励磁电流和转矩电流，δ 1和δ 2分别为前后侧悬浮气隙。
步骤3 风机机舱两侧悬浮动态模型转化
第一步采用坐标变换将式（1）两自由度运动方程，转化为以前后侧气隙运动方程为
(3)
式中，。
第二步，基于和/>将式(5)转化为前后侧线性化动态模型：
(4)
(5)
式中：δ 10、δ 20、i f10、i f20和i sq0分别为平衡点处的前侧气隙、后侧气隙、前侧悬浮电流、后侧悬浮电流以及偏航转矩电流。
第三步 将式（4）和（5）转化为风力机舱前后侧悬浮控制模型
(6)
(7)
式中：
步骤4风机机舱两点悬浮自适应跟踪控制器设计
第一步，设置两侧悬浮气隙跟踪误差为，其中i为1或2，分别对应前后侧悬浮气隙，引入i侧虚拟控制变量为
(8)
式中：λ 0和λ 1分别为正增益，设置，以及k i为正实数，确保s i渐进收敛。
第二步，对式（8）微分处理，以前侧（i=1）为例进行设计，将式（6）代入至式（8）可得
(9)
第三步，由式（9）求取前侧悬浮电流的实际控制输入和虚拟控制输入分别为
(10)
(11)
式中：分别为/>的估计值。
第四步，将式(11)代入(9)获得有效虚拟变量微分为：
(12)
第五步 构建含估计误差的Lyapunov能量函数为
(13)
式中：γ 1、γ 2、γ 3、γ 4为严格为正实数，。
第六步 设计M、N、T、f t的自适应律，对式（13）的Lyapunov能量函数求导可得
(14)
第七步，为确保，设置式（11）的模型参数自适应率为
(15)
步骤5风机机舱两侧同步控制器
第一步，设置前侧与后侧同步误差为，其中δ 1前侧悬浮气隙和δ 2为后侧悬浮气隙；
第二步，引入综合兼顾同步记忆数据的虚拟组合变量，式中λ 3和λ 4为正实数；
第三步，构建机舱两侧同步调整补偿的自适应律为，式中c1和c2为正控制参数。
所述步骤3中坐标转换方程为
(16)
式中，δ 1和δ 2为分别为前后侧悬浮气隙，R为机舱半径。转换方法为对坐标转换方程（3）求二阶导数。
本发明的有益效果是：
1）将风机机舱悬浮绕组合理均分，同时设置相应的独立悬浮控制器，可有效抑制风机机舱前后侧迎风面积差异所致倾覆力矩，确保风机机舱悬浮气隙稳定，为风机偏航控制奠定基础，将极大降低风机偏航摩擦功耗，提升对风精度；
2）提出了采用自适应的悬浮气隙控制器在线获取悬浮主导项模型参数，自动补偿电流内环参考设定，可有效应对风机悬浮工况恶劣，提升风机可靠性和悬浮稳定性；
3）提出的两侧同步控制，可有效消除俯仰力矩、悬浮绕组参数、悬浮变流器参数以及传感器测量误差所致同步跟踪失步问题，极大提升风机机舱悬浮性能。
附图说明
图1为本发明水平轴风力偏航系统机舱悬浮结构示意图。
图2为本发明水平轴风力偏航系统机舱悬浮控制结构图。
图3 为本发明控制下的机舱变气隙跟踪实验图。
图4为PID控制下的机舱施加轴向干扰力施加实验图。
图5为本发明控制下机舱轴向干扰力施加实验图。
图6为无同步控制器下机舱俯仰力矩施加实验图。
图7为本发明控制下机舱俯仰力矩施加实验图。
图中：1-风机桨叶，2-风机机舱，3-偏航定子，4-前侧绕组，5-后侧绕组，6-前侧气隙传感器，7-后侧气隙传感器，8-塔架，9-前侧气隙自适应控制器，10-两侧同步控制器，12-前侧悬浮电流跟踪控制器，13-后侧悬浮电流跟踪控制器，14-前侧H桥变流器，15-后侧H桥变流器，16-前侧悬浮绕组，17-后侧悬浮绕组，18-后侧气隙自适应控制器。
具体实施方式
一种水平轴风力偏航系统机舱悬浮控制方法，其特征在于：风机机舱2悬浮由盘式电机转子绕组完成，所述转子绕组包括前侧绕组4和后侧绕组5，两侧绕组产生合力轴向悬浮机舱，两侧绕组产生的差额力抑制机舱俯仰，所述前后侧绕组分别与前后侧H桥变流器14、15电气联结，前后侧悬浮绕组的两侧设置气隙传感器6、7，测量机舱前后侧悬浮高度和俯仰角度；所述前后侧绕组电流分别由前后侧H桥变流器14、15控制，所述两侧悬浮电流控制采用两侧气隙自适应控制9、18以及两侧同步控制10协同完成悬浮电流参考设定；所述悬浮电流参考跟踪控制由H桥变流器14、15独立完成；所述两侧气隙自适应控制采用自适应方法快速获取悬浮主导项模型参数，所述两侧同步控制采用同步跟踪自适应补偿控制器，确保机舱两侧悬浮运行同步，包括以下步骤：
步骤1，构建风力机舱的俯仰和轴向两自由度悬浮运动模型
(1)
式中，ω为俯仰角速度，θ为俯仰角度，F 1、F 2分别为前后侧悬浮电磁力， J m为机舱俯仰转动惯量，m为风力机舱质量；g为重力加速度；δ为轴向悬浮气隙；f d为机舱轴向干扰；T S为机舱倾覆力矩，R为机舱旋转半径。
步骤2 综合考虑偏航电流对风机机舱悬浮影响，构建机舱前后侧悬浮力方程
(2)
式中，μ 0为真空磁导率，N为两侧悬浮绕组匝数，S为磁极面积，i f1和i f2分别为前后侧悬浮电流，i sd和i sq为偏航绕组的励磁电流和转矩电流，δ 1和δ 2分别为前后侧悬浮气隙。
步骤3 风机机舱两侧悬浮动态模型转化
第一步采用坐标变换将式（1）两自由度运动方程，转化为以前后侧气隙运动方程为
(3)
式中，。
第二步，基于和/>将式(5)转化为前后侧线性化动态模型：
(4)
(5)
式中：δ 10、δ 20、i f10、i f20和i sq0分别为平衡点处的前侧气隙、后侧气隙、前侧悬浮电流、后侧悬浮电流以及偏航转矩电流。
第三步 将式（4）和（5）转化为风力机舱前后侧悬浮控制模型
(6)
(7)
式中：
。
步骤4风机机舱两侧气隙自适应跟踪控制器设计
第一步，设置两侧悬浮气隙跟踪误差为，其中i为1或2，分别对应前后侧悬浮气隙，引入i侧虚拟控制变量为
(8)
式中：λ 0和λ 1分别为正增益，设置，以及k i为正实数，确保s i渐进收敛。
第二步，对式（8）微分处理，以前侧（i=1）为例进行设计，将式（6）代入至式（8）可得
(9)
第三步，由式（9）求取前侧悬浮电流的实际控制输入和虚拟控制输入分别为
(10)
(11)
式中：分别为/>的估计值。
第四步，将式(11)代入(9)获得有效虚拟变量微分为：
(12)
第五步 构建含估计误差的Lyapunov能量函数为
(13)
式中：γ 1、γ 2、γ 3、γ 4为严格为正实数，。
第六步 设计M、N、T、f t的自适应律，对式（13）的Lyapunov能量函数求导可得
(14)
第七步，为确保，设置式（11）的模型参数自适应率为
(15)
步骤5风机机舱两侧同步控制器
第一步 设置前侧与后侧同步误差为，其中δ 1前侧悬浮气隙和δ 2为后侧悬浮气隙；
第二步 引入综合兼顾同步记忆数据的虚拟组合变量，式中λ 3和λ 4为正实数；
第三步 构建机舱两侧同步调整补偿的自适应律为，式中c1和c2为正控制参数。
所述步骤3中的坐标转换方程为
(16)
式中，δ 1和δ 2为分别为前后侧悬浮气隙，R为机舱半径。转换方法为对坐标转换方程（3）求二阶导数。
下面结合附图以及实例，对本发明作进一步详细说明。
风力磁悬浮偏航系统机舱悬浮参数如表1所示，机舱悬浮重量484kg，悬浮绕组总匝数930匝，前后侧绕组匝数为465匝，机舱旋转半径为360mm，两悬浮变流器功率各为1kW，悬浮气隙传感器采用电涡流位移传感器，精度为0.27v/mm，分别进行了以下3个实例，分别为变气隙跟踪实验、轴向干扰力施加实验以及抗俯仰力矩实验，以说明本发明有效效果。
实例一 变气隙跟踪实验，如图3所示，机舱在t=0s时刻开始悬浮，初始悬浮高度为10mm，其中，0~75s机舱悬浮高度参考设定13mm，在t=75s~135s悬浮气隙参考为13.5mm，t=135s~200s悬浮气隙参考高度为13mm，悬浮性能如表2所示，起动时间5s，参考变化过渡时间为5s，超调量为0.24mm，稳态误差为0.05mm，验证了本发明具有较强气隙跟踪能力以及稳态性能。
实例二 轴向干扰力施加实验，如图4和图5所示，悬浮气隙高度设置为13mm，t=0s机舱悬浮起动，t=80s时悬浮机舱施加了400N轴向下压力，模拟风机机舱的轴向压力，t=140s时撤去该干扰，分别进行了PID控制下机舱悬浮气隙跟踪以及本发明的悬浮气隙跟踪，对比结果如表3所示，不论是在最大气隙跌落，恢复时间、超调量以及稳定时间方面，本发明控制效果明显优于PID控制（0.2mm，8s，0.2mm，8s）。
实例三 抗俯仰力矩实验，如图6和图7所示，分析机舱两侧悬浮控制的同步性能；
机舱t=0时刻开始悬浮，悬浮高度设定为13mm，t=80s时在前侧施加150Nm的俯仰力矩，模拟风机桨叶侧风干扰，t=140s 时俯仰力矩撤出，分别进行有无同步控制器的性能对比，如表4所示，本发明分别在最大气隙跌落、最大气隙上升、气隙最大失步以及同步调整等方面明显优于无同步控制器的性能（0.2mm，8s，0.25mm，13s）。
Claims (2)
1.一种水平轴风力偏航系统机舱悬浮控制方法，其特征在于：风力机舱悬浮由盘式电机转子绕组完成，所述转子绕组包括前侧绕组和后侧绕组，两侧绕组产生合力轴向悬浮机舱，两侧绕组产生的差额力抑制机舱俯仰，所述前后侧绕组分别与前后侧H桥变流器电气联结，所述前后侧绕组的两侧设置气隙传感器，测量机舱前后侧悬浮高度和俯仰角度；所述前后侧绕组的悬浮电流分别由前后侧H桥变流器控制，所述悬浮电流控制采用两侧气隙自适应控制以及两侧同步控制协同完成悬浮电流参考设定；所述悬浮电流参考跟踪控制由H桥变流器独立完成；所述两侧气隙自适应控制采用自适应方法快速获取悬浮主导项模型参数，所述两侧同步控制采用同步跟踪自适应补偿控制器，确保机舱两侧悬浮运行同步，包括以下步骤：
步骤1，构建风力机舱的俯仰和轴向两自由度悬浮模型
(1)
式中，ω为俯仰角速度，θ为俯仰角度，F 1、F 2分别为前后侧悬浮电磁力， J m为机舱俯仰转动惯量，m为风力机舱质量，g为重力加速度，δ为轴向悬浮气隙，f d为机舱轴向干扰，T S为机舱倾覆力矩，R为机舱旋转半径；
步骤2 综合考虑偏航电流对风机机舱悬浮影响，构建机舱前后侧悬浮力方程
(2)
式中，μ 0为真空磁导率，N为两侧悬浮绕组匝数，S为磁极面积，i f1和i f2分别为前后侧悬浮电流，i sd和i sq为偏航绕组励磁电流和转矩电流，δ 1和δ 2分别为前后侧悬浮气隙；
步骤3 风机机舱两侧悬浮动态模型转化
第一步采用坐标变换将式（1）两自由度运动方程，转化为以前后侧气隙运动方程为
(3)
式中，；
第二步，基于和/>将式(5)转化为前后侧线性化动态模型：
(4)
(5)
式中：δ 10、δ 20、i f10、i f20和i sq0分别为平衡点处的前侧气隙、后侧气隙、前侧悬浮电流、后侧悬浮电流以及偏航转矩电流；
第三步 将式（4）和（5）转化为风力机舱前后侧悬浮控制模型
(6)
(7)
式中：
步骤4风机机舱两点悬浮自适应跟踪控制器设计
第一步，设置两侧悬浮气隙跟踪误差为，其中i为1或2，分别对应前后侧悬浮气隙，引入i侧虚拟控制变量为
(8)
式中：λ 0和λ 1分别为正增益，设置，以及k i为正实数，确保s i渐进收敛；
第二步，对式（8）微分处理，以前侧（i=1）为例进行设计，将式（6）代入至式（8）可得
(9)
第三步，由式（9）求取前侧悬浮电流的实际控制输入和虚拟控制输入分别为
(10)
(11)
式中：分别为/>的估计值；
第四步，将式(11)代入(9)获得有效虚拟变量微分为：
(12)
第五步 构建含估计误差的Lyapunov能量函数为
(13)
式中：γ 1、γ 2、γ 3、γ 4为严格为正实数，；
第六步 设计M、N、T、f t的自适应律，对式（13）的Lyapunov能量函数求导可得
(14)
第七步，为确保，设置式（11）的模型参数自适应率为
(15)
步骤5风机机舱两侧同步控制器
第一步 设置前侧与后侧同步误差为，其中δ 1前侧悬浮气隙和δ 2为后侧悬浮气隙；
第二步 引入综合兼顾同步记忆数据的虚拟组合变量，式中λ 3和λ 4为正实数；
第三步 构建机舱两侧同步调整补偿的自适应律为，式中c1和c2为正控制参数。
2. 根据权利要求1所述的一种水平轴风力偏航系统机舱悬浮控制方法，其特征在于，所述步骤3中的坐标转换方程为
(16)
式中，δ 1和δ 2为分别为前后侧悬浮气隙，R为机舱半径，转换方法为对坐标转换方程（3）求二阶导数。
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