CN114400686B - 开关磁阻风电制氢系统优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻风电制氢系统优化控制方法，包括：有限元计算开关磁阻发电机相磁链数值表,获得相磁链插值矩阵和相电磁转矩插值矩阵；搭建开关磁阻发电机电流斩波控制插值模型；建立工作点数值表，以电磁转矩波动最小为目标，利用模拟退火算法优化开关角和相电流参考值，形成控制参数工作区插值表；建立风轮载荷模型、齿轮系统动力学模型和制氢电解槽模型；耦合上述模型，经插值得到运行工况下转矩波动最小的开通角、关断角、相电流参考值三种控制参数，再经PID算法对插值相电流微调，使发电机转子实际转速跟随最优风轮转速。本发明能够极大减小转矩脉动，提高发电质量，实现开关磁阻风电制氢系统优化控制，进而指导系统设计。

Description

开关磁阻风电制氢系统优化控制方法

技术领域

本发明涉属于风力发电技术领域，具体涉及一种开关磁阻风电制氢系统优化控制方法。

背景技术

风能作为清洁无污染、总储量巨大的可再生能源得到了世界各国的重视。开关磁阻发电机具备结构简单、工作可靠性高、价格低廉以及不使用稀土元素等优势。使用开关磁阻发电机来实现风电制氢可有效降低制氢成本、提高风电系统工作可靠性以及缓解弃风限电现状，符合现阶段能源领域发展政策要求。

开关磁阻风力发电机在工作过程中产生的电磁转矩与其开关角和相电流斩波参考值等控制参数密切相关，通过优化调节开关角和相电流斩波参考值可有效提高电磁转矩均值以及降低电磁转矩波动，提升风电系统发电效率和发电质量，进而影响制氢效果。但其控制策略参数的确定与系统结构参数相关，包括开关磁阻发电机定转子极数、定转子半径、定转子轭高、气隙宽度以及齿轮传动系统传动比等参数。同时由于开关磁阻风电制氢系统常工作于变风速、变风轮载荷工况下，设计阶段中，系统全工况控制策略的确定与系统结构难以统筹设计。

由于搭建开关磁阻风力发电制氢系统的实验台架时间长、实验及维护成本高，且难以实现结构同控制策略双层优化。因此亟待寻求一种开关磁阻风电制氢系统优化控制方法，结合仿真实现某结构开关磁阻风电制氢系统最优控制策略下系统动态特性分析，进而指导系统设计，对于高效实现开关磁阻风电制氢系统的参数集成设计和优化控制具有重大意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种开关磁阻风电制氢系统优化控制方法，能够实现开关磁阻风电制氢系统在优化控制策略下的系统动态特性分析。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种开关磁阻风电制氢系统优化控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1，建立开关磁阻发电机有限元模型,并计算得到不同转子角度和相电流下的相磁链数值表格,通过所述相磁链数值表格计算出相磁链插值矩阵和相电磁转矩插值矩阵；

S2，根据所述相磁链插值矩阵和相电磁转矩插值矩阵,搭建开关磁阻发电机电流斩波控制插值模型,该模型以开关磁阻发电机转速、开关角和相电流斩波参考值为输入信号，以开关磁阻发电机实时相电流、相电压和电磁转矩为仿真输出信号；

S3，以定步长划分开关磁阻发电机工作转速转矩，建立工作点数值表格，根据所述开关磁阻发电机电流斩波控制插值模型，通过模拟退火算法对每个工作点以工作点的转速转矩为约束，以转矩波动最小为优化目标，实现开通角、关断角和相电流斩波参考值的优化，形成开通角、关断角和相电流斩波参考值三个控制策略参数的工作区插值表；

S4，建立风轮载荷模型、考虑时变啮合刚度的齿轮传动系统动力学模型和碱性制氢电解槽模型；

S5，耦合所述开关磁阻发电机电流斩波控制插值模型、风轮载荷模型、齿轮传动系统动力学模型和碱性制氢电解槽模型，经插值得到运行工况下系统转矩波动最小的开通角、关断角、相电流参考值三种控制策略参数，再经闭环调速PID算法对插值相电流微调，使发电机转子实际转速更好地追随最优风轮转速，实现开关磁阻风电制氢系统优化控制。

根据上述方法，能够实现开关磁阻风电制氢系统在优化控制策略下的系统动态特性分析，极大减小转矩脉动，提高发电质量，高效实现系统结构同控制策略的双层优化，进而优化系统结构参数，从而指导开关磁阻风电制氢系统设计。

作为优选，步骤S5中，开关磁阻发电机电流斩波控制模型的开关角控制信号，由风轮载荷模型输出的风轮转速转矩信号经所述开关角工作区插值表插值获得；相电流参考值控制信号，由风轮载荷模型输出的风轮转速转矩信号经所述相电流斩波参考值工作区插值表插值获得。

作为优选，步骤S1中，采用变步长划分转子角计算点进行有限元计算，依据该方法，步骤S1考虑了磁化曲线簇磁链Ψ由于磁路饱和所导致的强非线性特征，采用变步长划分转子角计算点进行有限元计算，即在转子凸极和定子凸极重合范围内增大转子角计算点密度，以保证更好地反映出磁链簇Ψ的非线性特征。

作为优选，步骤S1中，相电磁转矩计算公式为：

式中，θ_j为转子角；i_j为相电流；ψ_j(θ_j,i_j)为第j相的相磁链值；T_{θ(i＝const)}为开关磁阻发电机第j相瞬时电磁转矩。通过有限元计算所得磁链数值表经细化插值，可得到较为准确的磁链特性插值矩阵，通过电磁转矩公式可以计算出相电磁转矩插值矩阵。

考虑到后续参数集成设计，采用脚本实现步骤S1的有限元建模和计算，去除人工操作，提高效率。

作为优选，步骤S2中所搭建的开关磁阻发电机电流斩波控制插值模型所依据的数学模型为：

式中，j表示第j相；v_j为相电压；θ_j为转子相位角；R_j为相电阻；i_j为相电流；T_e为电磁转矩；ψ_j为相磁链；J为转子惯量；B_m为粘性摩擦系数；T_L为负载转矩。

该模型以开关磁阻发电机转速、开关角和相电流斩波参考值为输入信号，以开关磁阻发电机实时相电流、相电压和电磁转矩为仿真输出信号。每一组转速、开关角和相电流值对应一种电磁转矩状态波形，以便接下来各个工况点的优化。

作为优选，步骤S3中转矩波动评判准则为：

式中，T_flu为转矩波动；N为电磁转矩采样点总数；T_n为第n个采样点的电磁转矩值；T_mean为该段电磁转矩采样数据均值。

步骤S3中，考虑到三种控制参数在大范围迭代寻优过程难以找到满足工作点约束的可行解，令每个工作点的转矩约束限制在设定范围内，当每次迭代产生的转矩均值在设定范围内时，该迭代的转矩波动值为一个可行值。最后优化出转矩波动最小的工作点数值表与定步长划分所得工作点数值表范围基本一致，再经过插值处理就可以得到任意转速转矩下最优控制策略参数。

作为优选，步骤S3还包括前处理步骤，所述前处理步骤包括：

在定步长划分开关磁阻发电机工作转速转矩后，给定每个转速下的开关角，对相电流定步长仿真，记录每次转矩均值；

根据工作点转矩对所述相电流进行反插值，确定每个工作点的相电流初始优化值。依靠该前处理步骤，可以提前找到可行解，以可行解作为优化初始值，从而提高优化效率和效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上优化控制方法作为开关磁阻风电制氢系统的控制策略，能够有效抑制开关磁阻发电系统电磁转矩波动，提升风电系统发电效率和发电质量，进而促进制氢效果。同时能够实现开关磁阻风电制氢系统最优控制策略下系统动态特性分析，对于系统全工况控制策略的确定与系统结构难以统筹设计、双层优化的问题，提出了解决方法，进而指导系统设计，对于高效实现开关磁阻风电制氢系统的参数集成设计和优化控制具有重大意义。

附图说明

图1为本发明开关磁阻风电制氢系统优化控制方法的流程图；

图2为根据本发明方法经有限元计算得到的开关磁阻发电机磁链特性图；

图3为经相电磁转矩公式计算得到的开关磁阻发电机相电磁转矩特性图；

图4为步骤S3控制策略参数优化流程图；

图5为根据本发明方法所优化计算得到的各工作点开通角；

图6为根据本发明方法所优化计算得到的各工作点关断角；

图7为根据本发明方法所优化计算得到的各工作点相电流斩波参考值；

图8为根据本发明方法所优化计算得到的各工作点电磁转矩波动值；

图9为本发明所设计的开关磁阻发电系统优化控制过程示意图；

图10为未采用本发明控制方法的开关磁阻发电机电磁转矩波形图；

图11为采用本发明控制方法的开关磁阻发电机电磁转矩波形图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明是基于有限元计算和数值插值处理方法，结合模拟退火优化算法，综合考虑了开关磁阻风电系统发电机实际转速追随最优风轮转速，提出了一种开关磁阻风电制氢系统优化控制方法，实现了开关磁阻风电制氢系统优化控制，能够使该系统在各种工况下具备较小的转矩脉动，提高发电质量和制氢效果。该方法包括以下步骤：

S1，利用有限元分析软件，通过脚本实现开关磁阻发电机有限元建模,并计算得到不同转子角度和相电流下的相磁链数值表格,通过所述相磁链数值表格计算出相磁链插值矩阵和相电磁转矩插值矩阵。

图2和图3分别示意出了依照上述方法计算出的相磁链插值矩阵和相电磁转矩插值矩阵。

步骤S1考虑了磁化曲线簇磁链Ψ由于磁路饱和所导致的强非线性特征，采用变步长划分转子角计算点进行有限元计算，即在转子凸极和定子凸极重合范围内增大转子角计算点密度，以保证更好地反映出磁链簇Ψ的非线性特征。同时考虑到后续参数集成设计，采用脚本实现有限元建模和计算，去除人工操作，提高效率。步骤S1中计算相电磁转矩公式为：

式中，θ_j为转子角；i_j为相电流；ψ_j(θ_j,i_j)为第j相的相磁链值，经有限元计算得到；T_{θ(i＝const)}为开关磁阻发电机第j相瞬时电磁转矩，通过有限元计算所得磁链数值表经细化插值，可得到较为准确的磁链特性插值矩阵，通过电磁转矩公式可以计算出电磁转矩插值矩阵。

S2，根据步骤S1计算得到的相磁链插值矩阵和相电磁转矩插值矩阵,搭建开关磁阻发电机电流斩波控制插值模型,该模型所依据的数学模型如以下公式所示：

式中，j表示第j相；v_j为相电压，单位V；θ_j为转子相位角，单位°；R_j为相电阻，单位Ω；i_j为相电流，单位A；T_e为电磁转矩，单位N·m；ψ_j为相磁链，单位Wb；J为转子惯量，单位kg·mm²；B_m为粘性摩擦系数；T_L为负载转矩，单位N·m。

该模型以开关磁阻发电机转速、开关角和相电流斩波参考值为输入信号，以开关磁阻发电机实时相电流、相电压和电磁转矩为仿真输出信号。每一组转速、开关角和相电流值对应一种电磁转矩状态波形，以便接下来的各个工况点优化。该步骤中，开关磁阻发电机电流斩波控制的斩波上下限取值例如可以是相电流斩波参考值上下2.5A。

S3，以定步长划分开关磁阻发电机工作转速转矩，建立工作点数值表格，根据步骤S2建立的开关磁阻发电机电流斩波控制插值模型，通过模拟退火算法对每个工作点以工作点的转速转矩为约束，以转矩波动最小为优化目标，实现开通角、关断角和相电流斩波参考值的优化，形成开通角、关断角和相电流斩波参考值三个控制策略参数的工作区插值表。

步骤S3中，考虑到三种控制参数在大范围迭代寻优过程难以找到满足工作点约束的可行解，令每个工作点的转矩约束限制在划分值上下一定范围内，当每次迭代产生的转矩均值在设定范围内，该迭代的转矩波动值就是一个可行值。最后优化出转矩波动最小的工作点数值表与定步长划分所得工作点数值表范围基本一致，再经过插值处理就可以得到任意转速转矩下最优控制策略参数。

此外，在步骤S3还包括前处理步骤，如图4所示，该前处理步骤包括：

在定步长划分开关磁阻发电机工作转速转矩后，给定每个转速下的开关角，对相电流定步长仿真，记录每次转矩均值；

根据工作点转矩对所述相电流进行反插值，确定每个工作点的相电流初始优化值。通过增加前处理，即提前找到可行解，以可行解作为优化初始值，能够提高优化效率和效果。

步骤S3中转矩波动评判准则为：

式中，T_flu为转矩波动；N为电磁转矩采样点总数；T_n为第n个采样点的电磁转矩值，单位N·m；T_mean为该段电磁转矩采样数据均值，单位N·m。该步骤中，开关角和相电流斩波参考值三种控制参数的工作点插值表应当包含开关磁阻风电制氢系统所有工况点。

图5、图6和图7分别为依据上述优化流程所计算得到的最小转矩波动下各个工作点的开通角、关断角和相电流斩波参考值，图8展示了对应控制参数下的转矩波动值。

S4，建立风轮载荷模型、考虑时变啮合刚度的齿轮传动系统动力学模型和碱性制氢电解槽模型，其中，齿轮传动系统能量流由风轮输入，依次流经一级行星轮系、两级平行轴齿轮，流入开关磁阻发电机。

S5，耦合步骤S2和步骤S4所建立的开关磁阻发电机电流斩波控制插值模型、风轮载荷模型、齿轮传动系统动力学模型和碱性制氢电解槽模型。

对于开关磁阻发电机电流斩波控制模型的开关角控制信号，由风轮载荷模型输出的风轮转速转矩信号经步骤S3所得开关角工作区插值表插值获得；相电流参考值控制信号，由风轮载荷模型输出的风轮转速转矩信号经步骤S3所得相电流斩波参考值工作区插值表插值获得，再经闭环调速PID算法对插值相电流微调，使发电机转子实际转速更好地追随最优风轮转速，实现开关磁阻风电制氢系统优化控制。

图9示意了上述开关磁阻发电系统的优化控制过程，如图所示，Control_Parameters模块为包含了开通角、关断角、相电流斩波参考值在内的三个二维插值模块，其插值数据由步骤S3所得，可根据最优风轮转速以及实时风轮转矩插值得到此工况下系统转矩波动最小的控制策略。

考虑到控制参数工作点优化过程中采取定转速，但实际过程中发电机转速是波动过程，需要跟随最优风轮转速。设置了闭环PID调速，根据发电机实际转速同最优风轮转速对应的发电机最优转速之差，当实际转速低于最优转速时，将开关磁阻发电机开关角置零，令其升速；当实际转速高于最优转速时，采用步骤S5中插值所得开关角和相电流斩波参考值控制，其中相电流斩波参考值经转速差所得PID调速信号微调，使发电机转子实际转速更好地跟踪其最优转速。

图10为仿真风速7m/s时采用固定开关角和PID调速控制所计算的电磁转矩波形图。

图11为仿真风速7m/s时采用本发明优化控制方法所计算的电磁转矩波形图。从图10和图11两种方法所计算的电磁转矩波形对比可以看出，电磁转矩均值基本一致，但应用本发明方法控制后电磁转矩波动大幅降低，仅为前者29％左右。

采用以上优化控制方法作为开关磁阻风电制氢系统的控制策略，能够有效抑制开关磁阻发电系统电磁转矩波动，提升风电系统发电效率和发电质量，进而促进制氢效果。同时能够实现某结构开关磁阻风电制氢系统最优控制策略下系统动态特性分析，对于系统全工况控制策略的确定与系统结构难以统筹设计、双层优化的问题，提出了解决方法，进而指导系统设计，对于高效实现开关磁阻风电制氢系统的参数集成设计和优化控制具有重大意义。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种开关磁阻风电制氢系统优化控制方法，其特征在于,所述方法包括以下步骤：

S1，建立开关磁阻发电机有限元模型,并计算得到不同转子角度和相电流下的相磁链数值表格,通过所述相磁链数值表格计算出相磁链插值矩阵和相电磁转矩插值矩阵；

S2，根据所述相磁链插值矩阵和相电磁转矩插值矩阵,搭建开关磁阻发电机电流斩波控制插值模型,该模型以开关磁阻发电机转速、开关角和相电流斩波参考值为输入信号，以开关磁阻发电机实时相电流、相电压和电磁转矩为仿真输出信号；

S3，以定步长划分开关磁阻发电机工作转速转矩，建立工作点数值表格，根据所述开关磁阻发电机电流斩波控制插值模型，通过模拟退火算法对每个工作点以工作点的转速转矩为约束，以转矩波动最小为优化目标，实现开通角、关断角和相电流斩波参考值的优化，形成开通角、关断角和相电流斩波参考值三个控制策略参数的工作区插值表；

S4，建立风轮载荷模型、考虑时变啮合刚度的齿轮传动系统动力学模型和碱性制氢电解槽模型；

S5，耦合所述开关磁阻发电机电流斩波控制插值模型、风轮载荷模型、齿轮传动系统动力学模型和碱性制氢电解槽模型，经插值得到运行工况下系统转矩波动最小的开通角、关断角、相电流参考值三种控制策略参数，再经闭环调速PID算法对插值相电流微调，使发电机转子实际转速更好地追随最优风轮转速，实现开关磁阻风电制氢系统优化控制。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻风电制氢系统优化控制方法，其特征在于：步骤S5中，开关磁阻发电机电流斩波控制模型的开关角控制信号，由风轮载荷模型输出的风轮转速转矩信号经所述开关角工作区插值表插值获得；相电流参考值控制信号，由风轮载荷模型输出的风轮转速转矩信号经所述相电流斩波参考值工作区插值表插值获得，且经过PID算法对插值相电流微调。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻风电制氢系统优化控制方法，其特征在于：步骤S1中，采用变步长划分转子角计算点进行有限元计算。

4.根据权利要求3所述的开关磁阻风电制氢系统优化控制方法，其特征在于：步骤S1中，相电磁转矩计算公式为：

式中，θ_j为转子角；i_j为相电流；ψ_j(θ_j,i_j)为第j相的相磁链值；T_{θ(i＝const)}为开关磁阻发电机第j相瞬时电磁转矩。

5.根据权利要求1所述的开关磁阻风电制氢系统优化控制方法，其特征在于：步骤S3中转矩波动评判准则为：

式中，T_flu为转矩波动；N为电磁转矩采样点总数；T_n为第n个采样点的电磁转矩值；T_mean为该段电磁转矩采样数据均值。

6.根据权利要求5所述的开关磁阻风电制氢系统优化控制方法，其特征在于：步骤S3中，令每个工作点的转矩约束限制在设定范围内，当每次迭代产生的转矩均值在设定范围内时，该迭代的转矩波动值为一个可行值。

7.根据权利要求5所述的开关磁阻风电制氢系统优化控制方法，其特征在于：步骤S3还包括前处理步骤，所述前处理步骤包括：

在定步长划分开关磁阻发电机工作转速转矩后，给定每个转速下的开关角，对相电流定步长仿真，记录每次转矩均值；

根据工作点转矩对所述相电流进行反插值，确定每个工作点的相电流初始优化值。