CN110224647A - 一种新型的永磁同步发电机电流控制方法 - Google Patents

一种新型的永磁同步发电机电流控制方法 Download PDF

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李军
王成亮
徐妍
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Abstract

本发明公开了一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，在传统无差拍永磁同步发电机电流控制的基础上，利用反馈量对电流超前一拍进行估计，设计改进的无差拍永磁同步发电机电流控制模型；然后在此基础上设计基于参考电流信号中引入电流跟踪误差的跟踪目标，得到永磁同步发电机电流误差的闭环控制方程。本发明设计的改进无差拍控制利用反馈量实现了对电机电流的超前一拍估计，削弱了数字控制滞后一拍对系统动态性能的影响，显著提高了电流跟踪的动态性能；此外，在改进无差拍控制的参考电流中引入电流跟踪误差的积分补偿，提高了电流跟踪的稳态精度。

Description

一种新型的永磁同步发电机电流控制方法
技术领域
本发明涉及一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，属于同步发电机自动控制领域。
背景技术
永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)具有效率高、功率密度高、无需电刷、可靠性高等诸多优点，因此在工业中取得了广泛的应用。PMSG输出电流电压为交流电，且电压幅值与频率与PMSG的转速直接相关，因此需要在PMSG的输出端增加电力电子整流装置来保持输出电压的稳定。传统的利用二极管的不控整流方法存在电流谐波大、电机损耗大、电压无法调节等问题，而基于脉宽调制技术(pulse-widthmodulation,PWM)的整流器具有输入电流纹波小、直流电压可调和功率双向流动等优点，因此PWM整流器在PMSG系统中得到了广泛的研究与应用。基于PWM整流器的PMSG系统框图如图1(a)所示，其中，Cdc是整流器输出滤波电容，Uref是整流器输出参考电压，控制器的目标是利用系统反馈量：电机相电流Iabc与整流输出电压Udc来生成合适的PWM驱动信号，进而实现Udc对参考电压Uref的高精度跟踪。
传统控制器设计方案中，双环控制，即电压外环加上电流反馈内环的控制策略最为常见，如图1(b)所示，主要特点是物理意义明确，控制效果优秀，且可以自然实现整流器的过流保护，提高了系统的可靠性。在双环控制器的设计中，电流内环的控制尤为重要，其性能直接影响了系统的整体性能，因此，PMSG电流控制得到了广泛的研究，常见的控制策略有比例积分(proportional integral,PI)控制，无差拍控制，极点配置等等。其中无差拍控制具有结构简单、动态性能好的特点，然而考虑到数字控制中固有的一拍延迟问题与外部扰动时，无差拍电流控制器的控制效果会严重恶化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于积分参考补偿的改进的无差拍电流控制方法，利用反馈量实现对电机电流的超前一拍估计，削弱了数字控制滞后一拍对系统动态性能的影响，在改进无差拍控制的参考电流中引入电流跟踪误差的积分补偿，提高了电流跟踪的稳态精度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，包括以下步骤：
1)建立传统无差拍永磁同步发电机电流控制模型；
2)利用反馈量对电流超前一拍进行估计，设计改进的无差拍永磁同步发电机电流控制模型；
3)设计基于参考电流信号中引入电流跟踪误差的跟踪目标，得到永磁同步发电机电流误差的闭环控制方程。
前述的步骤1)具体过程如下：
11)采用状态反馈补偿发电机d轴和q轴的电流耦合，得到d轴和q轴电流控制器输出方程：
其中，ud0和uq0分别是d轴和q轴电流控制器的输出电压，id和iq分别是同步发电机d轴和q轴电流，Ld和Lq分别为同步发电机d轴和q轴的电感，R为电机定子电阻，t为时间；
12)运用前向差分法，得到永磁同步发电机的电流差分模型：
其中，k为k节拍，ud0(k)和uq0(k)分别为k节拍时d轴和q轴电流控制器的输出电压，Id(k)和Iq(k)分别为k节拍时同步发电机d轴和q轴电流，Id(k+1)和Iq(k+1)分别为k+1节拍时同步发电机d轴和q轴的电流，Ts为控制周期；
13)传统无差拍控制器的设计目标为在下一拍实现对参考电流的跟踪，即：
Id(k+1)＝Idref(k)
Iq(k+1)＝Iqref(k)，
其中，Idref与Iqref分别为同步发电机d轴和q轴的参考电流；
则基于电流差分模型，得到传统无差拍永磁同步发电机电流控制的差分方程：
14)基于实际控制过程中，会出现滞后一拍的理论，得到实际无差拍控制的差分方程：
15)将实际无差拍控制的差分方程改写为z域传递函数，即为传统无差拍永磁同步发电机电流控制模型：
其中，ud0(z)和uq0(z)分别为d轴和q轴电流控制器在z域的输出电压。
前述的步骤2)中，改进的无差拍永磁同步发电机电流控制模型为：
其中，Idest(z)和Iqest(z)分别为同步发电机d轴和q轴电流的超前预测值。
前述的输出电流的超前预测值计算如下：
前述的步骤3)中，所述基于参考电流信号中引入电流跟踪误差的跟踪目标为：
其中，rdm(z)和rqm(z)分别为d轴和q轴的跟踪目标，ed(z)和eq(z)分别为无差拍控制下d轴和q轴的跟踪误差，Ki表示积分器增益，
跟踪误差满足：
前述的永磁同步发电机电流误差的闭环控制方程为：
其中，e'd(z)和e'q(z)分别为d轴和q轴的闭环跟踪误差。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明改进无差拍控制利用反馈量实现了对电机电流的超前一拍估计，削弱了数字控制滞后一拍对系统动态性能的影响，显著改善了传统无差拍控制中的超调与振荡问题，提高了电流跟踪的动态性能；
(2)本发明在改进无差拍控制的参考电流中引入电流跟踪误差的积分补偿，提高了电流跟踪的稳态精度；而且积分补偿的设计相比于传统PI控制器的设计也大为简化，仅需要设计一个参数便可以完成控制器的设计。
附图说明
图1为基于PWM整流器的PMSG系统图；(a)系统框图；(b)双环控制结构图；
图2为传统无差拍控制与改进无差拍控制的电流闭环跟踪特性对比；
图3为基于积分参考补偿的改进无差拍控制图；
图4为引入积分补偿后跟踪误差与参考电流的频率响应图；
图5为引入积分补偿后输出电流与参考电流的频率响应图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，包含以下步骤：
步骤1：建立传统无差拍控制
从PMSG的数学模型可以看出，其dq轴电流方程之间存在耦合，一般在实际工程中会采用状态反馈策略来消除耦合项，即d轴电流控制律为：ud＝ud0+ud1，其中，ud0是d轴电流控制器的输出电压，ud1是用于消除耦合的补偿项，满足ud1＝-ωeLqiq；类似地，q轴电流控制律也可以设计为：uq＝uq0+uq1，其中，uq0是q轴电流控制器的输出电压，而uq1＝ωeLdid+ωeψf是q轴电流的补偿项，其中，ωe为电机电角速度，Ld，Lq分别为电机d轴，q轴电感，id，iq分别为电机d轴，q轴电流。因此，状态反馈补偿消除了PMSG的dq轴电流耦合，对于电流控制器而言，被控对象变成了两个独立的电流方程，从而降低了控制器的设计复杂度，即：
其中，R为电机定子电阻，t为时间。
在得到了PMSG解耦电流模型的基础上，运用前向差分法，即可得到PMSG的差分方程，其形式为：
其中，k为k节拍，ud0(k)和uq0(k)分别为k节拍时d轴和q轴电流控制器输出电压，Id(k)和Iq(k)分别为k节拍时同步发电机d轴和q轴的电流，Id(k+1)和Iq(k+1)分别为k+1节拍时同步发电机d轴和q轴的电流，Ts为控制周期。
传统无差拍控制器的设计目标为在下一拍实现对参考电流的跟踪，即：
Id(k+1)＝Idref(k)
Iq(k+1)＝Iqref(k)，
其中，Idref与Iqref分别为同步发电机d轴和q轴的参考电流。
根据PMSG电流差分模型，可以直接得出传统无差拍控制的差分方程表达式：
在式(3)的作用下，系统可以实现对参考电流的一拍跟踪，即在z域的方程式满足：
Id(z)＝z-1Idref(z)，
Iq(z)＝z-1Iqref(z)。
其中，Id(z)和Iq(z)表示同步发电机d轴和q轴电流在z域的表达式，Idref(z)和Iqref(z)表示同步发电机d轴和q轴参考电流在z域的表达式。
而系统的跟踪误差则满足：
其中，ed(z)为d轴的跟踪误差，eq(z)为q轴的跟踪误差。
然而在实际工程中，数字控制会出现滞后一拍的问题，即利用第k拍的反馈电流与参考电流计算得出的控制量在第k+1拍才会更新，或者说当前拍的控制量是利用第k-1拍的电流计算得出的，因此实际无差拍控制的差分方程表达式为：
将其改写为z域传递函数为：
其中，ud0(z)和uq0(z)表示d轴和q轴电流控制器输出电压在z域的表达式。
在式(6)下，dq轴电流的闭环表达式为：
可以看出，滞后一拍的存在会影响系统的闭环极点，导致跟踪性能的恶化，引起系统的超调振荡，甚至导致系统发散。
步骤2：建立改进无差拍控制
为了提高无差拍控制的性能，本发明将利用反馈量来实现电流的超前一拍估计，从而削弱滞后一拍对系统性能的影响，改进的控制律为：
其中，Idest(z)是同步发电机d轴电流超前预测值，Iqest(z)是同步发电机q轴电流超前预测值，根据PMSG电流方程式(2)，可得到电流超前估计方程为：
因此估计值Idest(z)和Iqest(z)可以实现对d轴和q轴电流的超前一拍估计，即：
Idest(k)→Id(k+1)，
Iqest(k)→Iq(k+1)，
从而削弱了一拍延迟的影响。
在改进无差拍控制的作用下，系统电流闭环跟踪效果为：
可以看出，引入电流超前预测的改进无差拍控制有效提高了电流环的跟踪性能，图2给出了传统无差拍控制与改进无差拍控制的电流闭环跟踪性能，即Id(z)/Idref(z)、Iq(z)/Iqref(z)的频率响应，可以看出改进无差拍控制拥有更好的幅频特性，电流跟踪仅仅会出现相位误差而并不会出现幅值误差；而传统无差拍控制的跟踪特性存在一个谐振峰，而此谐振峰的存在表明了电流跟踪的动态过程中会出现振荡与超调等非理想特性。
步骤3：建立基于积分参考补偿的改进无差拍控制
虽然改进无差拍控制可以提高PMSG系统的电流响应性能，但值得注意的是类似传统无差拍控制，改进无差拍控制缺乏对外部扰动的抑制能力，实际中由于逆变器死区时间、管压降等因素的影响，无差拍控制难以实现对参考电流的零误差跟踪，这实际上是由于无差拍控制的本质是一种特殊的比例控制导致的，本发明针对此问题，并提出一种基于积分参考补偿策略来提高改进无差拍控制的稳态跟踪精度。
改写理想条件的传统无差拍控制的差分方程式(5)为z域传递函数，其形式为：
可以看出理想条件下的传统无差拍控制实际上是由比例控制项与电阻压降补偿项RId(z)、RIq(z)构成的，而根据内模原理，比例控制无法实现对常值扰动的完全抑制，因此本发明在改进无差拍控制的基础上引入积分参考补偿来提高系统的跟踪精度，基于积分参考补偿的改进无差拍控制框图如图3所示。
图3表明所提方法在改进无差拍控制的基础上，引入了跟踪误差的积分值至电流参考信号中，因此改进无差拍控制器的跟踪目标为：
其中，rdm(z)和rqm(z)分别表示d轴和q轴的跟踪目标，Ki表示积分器增益。
根据图3，可以写出系统的闭环误差方程为：
其中，e'd(z)为d轴的闭环跟踪误差，e'q(z)为q轴的闭环跟踪误差。
通过调节积分器增益便可以调节系统的闭环极点位置，图4给出了系统跟踪误差与参考电流的频率响应，可以看出随着积分器增益的增大，系统的扰动抑制能力越强；而图5给出了系统的输出电流与参考电流的频率响应，可以看出积分器增益的增大会导致振荡与超调，因此，积分器增益的设计需要权衡扰动抑制能力与动态性能。相比于传统PI控制器的整定，基于积分参考补偿的改进无差拍控制仅需要整定一个参数，从而大大降低了控制器的设计复杂度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立传统无差拍永磁同步发电机电流控制模型；
2)利用反馈量对电流超前一拍进行估计，设计改进的无差拍永磁同步发电机电流控制模型；
3)设计基于参考电流信号中引入电流跟踪误差的跟踪目标，得到永磁同步发电机电流误差的闭环控制方程。
2.根据权利要求1所述的一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，其特征在于，所述步骤1)具体过程如下：
11)采用状态反馈补偿发电机d轴和q轴的电流耦合，得到d轴和q轴电流控制器输出方程：
其中，ud0和uq0分别是d轴和q轴电流控制器的输出电压，id和iq分别是同步发电机d轴和q轴电流，Ld和Lq分别为同步发电机d轴和q轴的电感，R为电机定子电阻，t为时间；
12)运用前向差分法，得到永磁同步发电机的电流差分模型：
其中，k为k节拍，ud0(k)和uq0(k)分别为k节拍时d轴和q轴电流控制器的输出电压，Id(k)和Iq(k)分别为k节拍时同步发电机d轴和q轴电流，Id(k+1)和Iq(k+1)分别为k+1节拍时同步发电机d轴和q轴的电流，Ts为控制周期；
13)传统无差拍控制器的设计目标为在下一拍实现对参考电流的跟踪，即：
Id(k+1)＝Idref(k)
Iq(k+1)＝Iqref(k)，
其中，Idref与Iqref分别为同步发电机d轴和q轴的参考电流；
则基于电流差分模型，得到传统无差拍永磁同步发电机电流控制的差分方程：
14)基于实际控制过程中，会出现滞后一拍的理论，得到实际无差拍控制的差分方程：
15)将实际无差拍控制的差分方程改写为z域传递函数，即为传统无差拍永磁同步发电机电流控制模型：
其中，ud0(z)和uq0(z)分别为d轴和q轴电流控制器在z域的输出电压。
3.根据权利要求2所述的一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，改进的无差拍永磁同步发电机电流控制模型为：
其中，Idest(z)和Iqest(z)分别为同步发电机d轴和q轴电流的超前预测值。
4.根据权利要求3所述的一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，其特征在于，所述输出电流的超前预测值计算如下：
5.根据权利要求3所述的一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述基于参考电流信号中引入电流跟踪误差的跟踪目标为：
其中，rdm(z)和rqm(z)分别为d轴和q轴的跟踪目标，ed(z)和eq(z)分别为无差拍控制下d轴和q轴的跟踪误差，Ki表示积分器增益，
跟踪误差满足：
6.根据权利要求5所述的一种新型的永磁同步发电机电流控制方法，其特征在于，所述永磁同步发电机电流误差的闭环控制方程为：
其中，e'd(z)和e'q(z)分别为d轴和q轴的闭环跟踪误差。
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