CN114421842A - 一种永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法 - Google Patents

一种永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法，其基于三矢量的模型预测转矩控制(MPTC)策略在一个采样周期内采用三个电压矢量作用；在此基础上结合对预测转矩和磁链的判断，按照代价函数最小化原则选择最优电压矢量，将备选矢量的个数由6个缩减到2个，并将第三个零矢量用有效矢量代替，以减小电流的谐波，通过转矩和磁链无差拍控制原理计算三个电压矢量的作用时间；同时引入负载扰动观测补偿，以改善模型预测转矩控制对负载扰动的敏感性。本方法具有在保留高动态响应速度的前提下，系统的计算负担更小，对负载扰动的敏感性更高的有益效果。

Description

一种永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电机转矩控制方法技术领域，具体是指一种永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法。
背景技术
永磁同步风力发电机具有功率密度大、效率高、可靠性好等优点。随着工业控制的发展，永磁同步电机在控制领域主要有如下三种控制策略：矢量控制(Vector Control,VC)、直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)和模型预测控制(Model PredictiveControl,MPC)。按照控制目标的不同，模型预测控制又可分为模型预测电流控制(MPCC)和模型预测转矩控制(MPTC)两种。其中模型预测转矩控制(MPTC)与模型预测电流控制(MPCC)相比不需要通过控制电流来间接控制转矩，而是直接控制转矩，系统直观且简洁；因此被广泛使用。
MPTC模型预测转矩控制根据单个控制周期内作用的电压矢量个数不同，分为单矢量、双矢量、三矢量模型预测转矩控制三种类型。单矢量控制简单，但转矩脉动较大。双矢量虽然改善了系统性能，但无法满足电机对转矩、磁链控制更高的要求。三矢量进一步改善了系统性能，提高了动态响应速度，但需要很大的计算成本。
传统MPTC通过预测下一时刻的转矩和磁链，按照代价函数最小的原则，选择最优电压矢量组合，作用于逆变器。这种方法虽然控制简单，但也存在不足。有研究表明在一个采样周期内进行7次预测，但电压矢量筛选复杂，而且在整个控制周期只作用一个电压矢量，存在转矩与定子磁链脉动较大、开关频率不稳定等问题。虽然目前有一些研究提出了最优占空比MPTC方法，该方法将电压矢量和动作时间同时纳入预测过程。然而目前尚无确定的磁链和转矩权重系数的通用计算设计理论，在实际应用中仍需要通过大量实验与仿真确定权重系数。因此，又有一些研究者考虑消除权重系数。在三矢量基础上根据转矩和磁链无差拍同步原理，提出一种无权重系数的价值函数，其中只包含转矩一个变量，但其计算量较大；提出了一种基于扩展控制集三矢量改进MPTC控制策略，但还是提高了控制器的计算负担；通过计算6个有效矢量的预测值计算出第一矢量，然后根据第一有效矢量所在的扇区根据枚举法计算第二有效矢量，其不足在于也需较大的计算成本，同时上述各种方法没有考虑观测补偿，预测模型对负载扰动的敏感性不足。
针对上述问题，本专利申请的发明人还通过大量的检索与查询，查到有包括：申请号为：202010557167.3，名为：一种基于电压矢量筛选与优化的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法的发明专利；申请号为：202010702715.7一种基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法的发明专利；申请号为：202011352040.4一种三电平永磁同步电动机三矢量模型预测转矩控制方法的发明专利等公开的专利及文献，通过对比与分析，发现上述问题仍没有得到有效的解决。
综上所述，现有技术中的永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法存在计算负担大，对负载扰动的敏感性不足等不足之处。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种在保留高动态响应速度的前提下，系统的计算负担更小，对负载扰动的敏感性更高的新型永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法，基于三矢量的模型预测转矩控制(MPTC)策略在一个采样周期内采用三个电压矢量作用；在此基础上结合对预测转矩和磁链的判断，按照代价函数最小化原则选择最优电压矢量，将备选矢量的个数由6个缩减到2个，并将第三个零矢量用有效矢量代替，以减小电流的谐波，通过转矩和磁链无差拍控制原理计算三个电压矢量的作用时间；同时引入负载扰动观测补偿，以改善模型预测转矩控制对负载扰动的敏感性。
作为优选，其具体包括如下步骤：
第一步，选择电压矢量组合；
第二步，确认电压矢量的作用时间分配；
第三步，设计价值函数；
第四步，设计扰动观测器；
第五步，生成用于控制转矩的开关脉冲。
作为进一步优选，第一步中电压矢量组合选择方法如下：基于三矢量的模型预测转矩控制(MPTC)策略在一个采样周期内包括三个电压矢量，其中两个有效矢量和一个零矢量；先通过对预测值所在扇区的判断同时选择出两个有效矢量，即第一矢量和第二矢量，选择标准要求满足增大转矩增大磁链、增大转矩减小磁链、减小转矩减小磁链和减小转矩增大磁链这四种控制需求。
作为进一步优选，第二步中通过电压矢量组合的选择，需要分配三个矢量在一个控制周期里各自的作用时间，采用转矩和磁链无差拍控制方式进行计算。
作为进一步优选，第三步中采用转矩和磁链无差拍控制，在转矩达到给定值时，同时也保证磁链达到给定值，设定价值函数为：g＝|Te(k+1)-Te_ref|。
作为进一步优选，第四步中设计扰动观测器的具体方法为：负载扰动观测器采用降阶伦伯格负载观测器，以此来估计系统的负载转矩；以电机交轴电流iq和转子转速ωr作为输入量，以观测的转矩
Figure BDA0003486060170000031
观测的交轴电流
Figure BDA0003486060170000032
作为输出变量，此时构成降阶伦伯格观测器；在控制系统中状态观测器通过离散递推的方式来实现数字化控制。
作为进一步优选，第五步中生成用于控制转矩的开关脉冲的具体方法为：根据代价函数最小选择出的三个电压矢量组合以及各自作用时间合成矢量uopt，然后采用SVM合成给定电压矢量，可以在不显著增加控制策略计算量的基础上，保证开关频率恒定，提高系统稳态性能；同时采用七段式SVM来合成给定电压矢量；由给定电压矢量的幅值及位置可以确定对应扇区中相邻两个有效电压矢量及它们的作用时间，并由此得出零矢量的作用时间；根据“伏秒平衡”原理，两个有效电压矢量的作用时间平分后，插在零矢量之间，按开关损耗最小的原则，中间的零矢量取U7，从而有效降低PWM的谐波分量。
作为进一步优选，三矢量模型预测转矩控制的核心步骤包括如下四步：
S1、获取k时刻的电流id、iq，并对当前时刻的转子位置进行采集；
S2、通过电压矢量组合选择确定出电压矢量组合，计算出两个电压矢量组合中三个电压矢量作用下各自的作用时间；
S3、计算出两种电压矢量组合下转矩和磁链的预测值，并根据价值函数所计算出两种电压矢量组合对应的代价函数；
S4、选择使代价函数最小的一组电压矢量和其对应的作用时间作用于逆变器。
采用上述方法后，本发明具有如下有益效果：
1、减少最优矢量的组合选择不仅保持了传统三矢量MPCC的高动态响应速度，减少了系统的计算负担。
2、通过对电压矢量组合的判断，选择电压矢量组合方式，无需先计算出第一个电压矢量作用时间后再计算其他两矢量作用时间。
3、引入观测补偿，提高预测模型对负载扰动的敏感性。
综上所述，本发明提供了一种在保留高动态响应速度的前提下，系统的计算负担更小，对负载扰动的敏感性更高的新型永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法。
附图说明
图1是本发明中永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法中的控制示意图。
图2是本发明永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法中的电压矢量作用图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
结合附图1和附图2，本专利申请的发明人结合电机在运行过程中，当负载突变时，电磁转矩和负载转矩会失去平衡，造成转速调节发生一定的滞后的背景，进一步结合现有研究中通过构建二阶滑模观测器观测由参数不匹配带来的扰动，但切换函数带来的抖振难以消除问题。改为利用降阶伦伯格观测器，以此来估计系统的负载转矩，该种结构更加简单，实现起来也更加容易。因此，本发明引入降阶伦伯格观测补偿模型，用以补偿由负载扰动对预测模型控制性能的影响，以上系本发明专利设计思路的背景说明。
本发明公开了一种永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法，其基于三矢量的模型预测转矩控制(MPTC)策略在一个采样周期内采用三个电压矢量作用；在此基础上结合对预测转矩和磁链的判断，按照代价函数最小化原则选择最优电压矢量，将备选矢量的个数由6个缩减到2个，并将第三个零矢量用有效矢量代替，以减小电流的谐波，通过转矩和磁链无差拍控制原理计算三个电压矢量的作用时间；同时引入负载扰动观测补偿，以改善模型预测转矩控制对负载扰动的敏感性。基于三矢量的MPTC控制示意图如附图1中所示。
所述的控制方法其具体包括如下步骤：第一步，选择电压矢量组合；第二步，确认电压矢量的作用时间分配；第三步，设计价值函数；第四步，设计扰动观测器；第五步，生成用于控制转矩的开关脉冲。
第一步中电压矢量组合选择方法优选如下：基于三矢量的模型预测转矩控制(MPTC)策略在一个采样周期内包括三个电压矢量，其中两个有效矢量和一个零矢量；本发明所采用的方法不需要提前计算出uout，先通过对预测值所在扇区的判断同时选择出两个有效矢量，即第一矢量和第二矢量，选择标准要求满足增大转矩增大磁链、增大转矩减小磁链、减小转矩减小磁链和减小转矩增大磁链这四种控制需求。
第二步中通过电压矢量组合的选择，需要分配三个矢量在一个控制周期里各自的作用时间，采用转矩和磁链无差拍控制方式进行计算，电压矢量作用图如附图2中所示。
第三步中采用转矩和磁链无差拍控制，在转矩达到给定值时，同时也保证磁链达到给定值，设定价值函数为：g＝|Te(k+1)-Te_ref|。
第四步中设计扰动观测器的具体方法为：负载扰动观测器采用降阶伦伯格负载观测器，以此来估计系统的负载转矩,与全阶观测器相比，其结构更加简单。以电机交轴电流iq和转子转速ωr作为输入量，以观测的转矩
Figure BDA0003486060170000041
观测的交轴电流
Figure BDA0003486060170000042
作为输出变量，此时构成降阶伦伯格观测器；在控制系统中状态观测器通过离散递推的方式来实现数字化控制。
第五步中生成用于控制转矩的开关脉冲的具体方法为：根据代价函数最小选择出的三个电压矢量组合以及各自作用时间合成矢量uopt，然后采用SVM合成给定电压矢量，可以在不显著增加控制策略计算量的基础上，保证开关频率恒定，提高系统稳态性能；同时采用七段式SVM来合成给定电压矢量；由给定电压矢量的幅值及位置可以确定对应扇区中相邻两个有效电压矢量及它们的作用时间，并由此得出零矢量的作用时间；根据“伏秒平衡”原理，两个有效电压矢量的作用时间平分后，插在零矢量之间，按开关损耗最小的原则，中间的零矢量取U7，从而有效降低PWM的谐波分量。
作为进一步优选，三矢量模型预测转矩控制的核心步骤包括如下四步：S1、获取k时刻的电流id、iq，并对当前时刻的转子位置进行采集；S2、通过电压矢量组合选择确定出电压矢量组合，计算出两个电压矢量组合中三个电压矢量作用下各自的作用时间；S3、计算出两种电压矢量组合下转矩和磁链的预测值，并根据价值函数所计算出两种电压矢量组合对应的代价函数；S4、选择使代价函数最小的一组电压矢量和其对应的作用时间作用于逆变器。
通过实践验证，针对现有技术概况所描述的问题，本发明以永磁同步电机为对象，提出了一种改进的三矢量MPTC控制策略。利用转矩和磁链无差拍同步原理计算三个电压矢量在一个周期内的持续时间，并将传统转矩预测中的6个备选矢量缩减到2个，按照代价函数最小化原则选择最优电压矢量。不仅保持了传统三矢量MPCC的高动态响应速度，还大量减少了系统的计算负担。并且，引入负载扰动观测补偿，显著改善了模型预测转矩控制对负载扰动的敏感性。
同时需要说明的是，本专利申请为了文件的简洁性，省去了部分业内技术人员公知的具体模型及推演公式，因为业内技术人员在本专利申请的思路下实现相应的控制方法并没有技术障碍，所以本专利申请中没有进行赘述。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的实施方案并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法，其特征在于：基于三矢量的模型预测转矩控制(MPTC)策略在一个采样周期内采用三个电压矢量作用；在此基础上结合对预测转矩和磁链的判断，按照代价函数最小化原则选择最优电压矢量，将备选矢量的个数由6个缩减到2个，并将第三个零矢量用有效矢量代替，以减小电流的谐波，通过转矩和磁链无差拍控制原理计算三个电压矢量的作用时间；同时引入负载扰动观测补偿，以改善模型预测转矩控制对负载扰动的敏感性等特性。
2.根据权利要求1所述的永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法，其特征在于：其具体包括如下步骤：
第一步，选择电压矢量组合；
第二步，确认电压矢量的作用时间分配；
第三步，设计价值函数；
第四步，设计扰动观测器；
第五步，生成用于控制转矩的开关脉冲。
3.根据权利要求2所述的永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法，其特征在于：第一步中电压矢量组合选择方法如下：基于三矢量的模型预测转矩控制(MPTC)策略在一个采样周期内包括三个电压矢量，其中两个有效矢量和一个零矢量；先通过对预测值所在扇区的判断同时选择出两个有效矢量，即第一矢量和第二矢量，选择标准要求满足增大转矩增大磁链、增大转矩减小磁链、减小转矩减小磁链和减小转矩增大磁链这四种控制需求。
4.根据权利要求2所述的永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法，其特征在于：第二步中通过电压矢量组合的选择，需要分配三个矢量在一个控制周期里各自的作用时间，采用转矩和磁链无差拍控制方式进行计算。
5.根据权利要求2所述的永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法，其特征在于：第三步中采用转矩和磁链无差拍控制，在转矩达到给定值时，同时也保证磁链达到给定值，设定价值函数为：g＝|Te(k+1)-Te_ref|。
6.根据权利要求2所述的永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法，其特征在于：第四步中设计扰动观测器的具体方法为：负载扰动观测器采用降阶伦伯格负载观测器，以此来估计系统的负载转矩；以电机交轴电流iq和转子转速ωr作为输入量，以观测的转矩
Figure FDA0003486060160000011
观测的交轴电流
Figure FDA0003486060160000012
作为输出变量，此时构成降阶伦伯格观测器；在控制系统中状态观测器通过离散递推的方式来实现数字化控制。
7.根据权利要求2所述的永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法，其特征在于：第五步中生成用于控制转矩的开关脉冲的具体方法为：根据代价函数最小选择出的三个电压矢量组合以及各自作用时间合成矢量uopt，然后采用SVM合成给定电压矢量，可以在不显著增加控制策略计算量的基础上，保证开关频率恒定，提高系统稳态性能；同时采用七段式SVM来合成给定电压矢量；由给定电压矢量的幅值及位置可以确定对应扇区中相邻两个有效电压矢量及它们的作用时间，并由此得出零矢量的作用时间；根据“伏秒平衡”原理，两个有效电压矢量的作用时间平分后，插在零矢量之间，按开关损耗最小的原则，中间的零矢量取U7，从而有效降低PWM的谐波分量。
8.根据权利要求5所述的永磁同步风力发电机三矢量模型预测转矩控制方法，其特征在于：三矢量模型预测转矩控制的核心步骤包括如下四步：
S1、获取k时刻的电流id、iq，并对当前时刻的转子位置进行采集；
S2、通过电压矢量组合选择确定出电压矢量组合，计算出两个电压矢量组合中三个电压矢量作用下各自的作用时间；
S3、计算出两种电压矢量组合下转矩和磁链的预测值，并根据价值函数所计算出两种电压矢量组合对应的代价函数；
S4、选择使代价函数最小的一组电压矢量和其对应的作用时间作用于逆变器。
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