CN114710079A - 一种基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法 - Google Patents

一种基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法 Download PDF

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王晓琳
张艳
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Abstract

本发明公开了一种基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法，针对传统电压‑电流双闭环PI控制策略在直流侧负载快速变化时电压动态响应慢、电压波动幅值大的问题，电压外环采用自适应高阶滑模控制器替换传统PI控制器，电流内环采用PI控制，形成双闭环控制。通过设计高阶滑模控制器模型，并引入自适应律，使得控制器增益随着扰动的变化而变化，避免了因扰动边界不确定而导致控制器增益选取过大，引起系统抖振。

Description

一种基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制 方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机技术领域，主要涉及一种基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法。
背景技术
随着永磁材料和电力电子技术的不断进步，永磁同步电机的性能得到大幅提升，与电励磁同步发电机和双馈感应发电机等电机相比，永磁同步发电机中的磁场由永磁体提供不需要电励磁装置，具有损耗小、功率密度高、效率高、工作性能优良、机械结构简单以及拓扑结构灵活等优点，因此在风力发电系统、车用发电机系统、便携式发电机等这类独立直流电能系统的应用愈加广泛。
通常，永磁同步发电机发出的交流电能经过PWM可控整流器变换为可控的直流电供负载使用，也可经过AC-DC-AC变换转换成所需的交流电。在实际应用中，直流侧负载的形式多样，且复杂多变，负载的快速变化往往会导致直流电压的波动，使电能质量下降，难以满足对直流电压的要求。传统的永磁同步发电控制系统采用电压-电流的双PI调节器，然而PI调节器对系统参数变化和外部扰动敏感，在负载变化时，PI调节器的控制效果变差，无法满足系统对快速动态响应和良好抗干扰能力的要求。针对直流侧负载快速变化导致的直流电压波动大、系统动态响应慢等问题，各种先进控制算法被不断提出，如滑模控制、鲁棒控制、自适应控制、直接功率控制以及二自由度控制等。在这些控制算法中，滑模控制因其具有用较强的鲁棒性和较快的动态响应速度被广泛应用于带扰动的非线性控制系统中。
发明内容
发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法，针对传统电压-电流双闭环PI控制策略在直流侧负载快速变化时电压动态响应慢、电压波动幅值大的问题，基于滑模控制的思想，用高阶滑模控制器替换传统的PI控制器，并针对系统扰动范围不确定的问题，引入了自适应律，使得高阶滑模增益随着扰动的变化而变化，避免了因对扰动边界估计不确定而导致的滑膜增益选取过大，引起系统抖振。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法，其中高速永磁同步发电系统包括高速永磁同步发电机、PWM桥式整流器、实时采集转子位置信号的霍尔传感器、电流传感器和电压传感器；所述高速永磁同步发电机与PWM整流桥连接，实现三相交流电到直流电的变换；所述电流传感器用于测量三相电流，经坐标变换后得到q轴电流iq和d轴电流id，q轴电流iq与给定值
Figure BDA0003574727730000021
比较后经PI调节器输出q轴电压uq，d轴电流id与给定值
Figure BDA0003574727730000022
比较后经PI调节器输出d轴电压ud；所述电压传感器用于测量直流侧电压udc，与给定电压
Figure BDA0003574727730000023
比较后经由自适应高阶滑模控制器输出q轴电流给定值
Figure BDA0003574727730000024
电压外环采用自适应高阶滑模控制器替换传统PI控制器，电流内环采用传统PI控制，形成双闭环控制；具体包括以下步骤：
步骤S1、根据高速永磁同步发电机数学模型，构建以直流侧电压udc为状态变量，q轴电流iq为控制变量的状态方程；
步骤S2、根据状态方程设计高阶滑模控制器；
步骤S3、引入自适应律，并与步骤S2所述高阶滑模控制器结合，设计高阶滑模自适应控制器。
进一步地，所述步骤S1中状态方程设计如下：
Figure BDA0003574727730000025
其中，ωe为电角速度，ψmf为转子磁链，idc为直流侧电流，iq为q轴电流，udc为直流侧电压，C为直流侧稳压电容，iL为负载电流。
进一步地，所述自适应高阶滑模控制器模型设计如下：
Figure BDA0003574727730000026
其中，u、v为系统的状态变量，s为滑模变量，Kp、KI为滑模增益，σ为常数；
设定滑模变量
Figure BDA0003574727730000027
对滑模变量s求导，将求导结果简化后即得滑模控制律为：
Figure BDA0003574727730000031
其中，
Figure BDA0003574727730000032
为直流侧电压给定值，udc为直流侧电压的测量值。
所述步骤S3中自适应高阶滑模控制器设计如下：
Figure BDA0003574727730000033
其中，控制器参数增益自适应律设计如下：
Figure BDA0003574727730000034
KI＝2εK
式中：K(0)>0，δ、γ、μ、φ、ε、η以及α均为大于0的常数，且μ≤s。
进一步地，滑模增益K为非负数。
有益效果：
(1)本发明提供的基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法，将自适应高阶滑模控制方法应用于高速永磁同步发电机的电压外环控制，能够在直流侧负载快速变化时减小电压波动的幅值，提高系统动态响应速度；
(2)本发明将自适应率应用于高阶滑模控制方法中，从而避免了因控制器增益选择过大而导致的系统抖振过大问题；
(3)本发明提供的基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制策略，算法实现简单、系统结构简单，提升了直流侧母线电压的控制精度。
附图说明
图1是本发明提供的基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法原理框图；
图2是本发明提供的自适应高阶滑模控制器原理框图；
图3是本发明提供的电流内环控制原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的稳压控制方法，建立在高速永磁同步发电系统上，该系统具体包括高速永磁同步发电机、PWM桥式整流器、实时采集转子位置信号的霍尔传感器、电流传感器和电压传感器；所述高速永磁同步发电机与PWM整流桥连接，实现三相交流电到直流电的变换；所述电流传感器用于测量三相电流，经坐标变换后得到q轴电流iq和d轴电流id，q轴电流iq与给定值
Figure BDA0003574727730000041
比较后经PI调节器输出q轴电压uq，d轴电流id与给定值
Figure BDA0003574727730000042
比较后经PI调节器输出d轴电压ud；所述电压传感器用于测量直流侧电压udc，与给定电压
Figure BDA0003574727730000043
比较后经由自适应高阶滑模控制器输出q轴电流给定值
Figure BDA0003574727730000044
如图1所示为本发明提出的基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法原理框图。本发明创新之处在于，高速永磁同步发电系统的电压外环采用自适应高阶滑模控制器替换传统PI控制器，电流内环采用传统PI控制，形成双闭环控制；具体步骤如下：
步骤S1、根据高速永磁同步发电机数学模型，构建以直流侧电压udc为状态变量，q轴电流iq为控制变量的状态方程；
Figure BDA0003574727730000045
其中，ωe为电角速度，ψmf为转子磁链，idc为直流侧电流，iq为q轴电流，udc为直流侧电压，C为直流侧稳压电容，iL为负载电流。
步骤S2、根据状态方程设计自适应高阶滑模控制器；高阶滑模控制器设计如下：
Figure BDA0003574727730000046
其中，u、v为系统的状态变量，s为滑模变量，Kp、KI为滑模增益，σ为常数；
如图2所示，设定滑模变量
Figure BDA0003574727730000051
对滑模变量s求导，将求导结果简化后即得滑模控制律为：
Figure BDA0003574727730000052
其中，
Figure BDA0003574727730000053
为直流侧电压给定值，udc为直流侧电压的测量值。
步骤S3、引入自适应律，并与步骤S2所述高阶滑模控制器结合，设计高阶滑模自适应控制律。具体地，自适应高阶滑模控制器设计如下：
Figure BDA0003574727730000054
其中，控制器参数增益自适应律设计如下：
Figure BDA0003574727730000055
KI＝2εK
式中：K(0)>0，δ、γ、μ、φ、ε、η以及α均为大于0的常数，且μ≤s。α是一个较小的数值，保证滑模增益K是一个非负数。
根据图1所示控制框图可以看出，电压传感器检测得到直流侧输出电压udc与给定值
Figure BDA0003574727730000056
进行比较，差值经自适应高阶滑模控制器输出q轴电流给定值
Figure BDA0003574727730000057
电流传感器检测得到三相电流值，然后通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的电流值id、iq，并与d、q轴电流给定值
Figure BDA0003574727730000058
比较，差值经过电流调节器输出d、q轴电压指令值ud、uq。最后通过SVPWM空间矢量调制方式得到开关管的调制信号。
图3所示为电流内环控制框图，对于高速永磁同步发电机而言，其具有基频高的显著特点，受限于功率器件的开关频率，高速永磁同步发电机通常只能工作在低载频比下。低载频比使得数字控制系统的延时问题影响变大，从而导致电流环的失稳。本发明在充分考虑数字控制延时的基础上对由控制延时导致的角度延时进行了相应的补偿，完善了电流环控制模型。通过电流传感器检测得到三相电流值，然后通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的电流值id、iq，并与d、q轴电流给定值进行比较，差值经过电流调节器输出d、q电压指令值ud、uq，经过角度补偿后得到d、q轴电压的实际值。
本发明提供的基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法与传统的电压-电流双闭环PI控制方法相比，在直流侧负载快速变化时能够降低直流侧电压的波动、提高系统的动态响应速度，提升母线电压的控制精度。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法，其中高速永磁同步发电系统包括高速永磁同步发电机、PWM桥式整流器、实时采集转子位置信号的霍尔传感器、电流传感器和电压传感器；所述高速永磁同步发电机与PWM整流桥连接，实现三相交流电到直流电的变换；所述电流传感器用于测量三相电流，经坐标变换后得到q轴电流iq和d轴电流id，q轴电流iq与给定值
Figure FDA0003574727720000011
比较后经PI调节器输出q轴电压uq，d轴电流id与给定值
Figure FDA0003574727720000012
比较后经PI调节器输出d轴电压ud；所述电压传感器用于测量直流侧电压udc，与给定电压
Figure FDA0003574727720000013
比较后经由自适应高阶滑模控制器输出q轴电流给定值
Figure FDA0003574727720000014
其特征在于，电压外环采用自适应高阶滑模控制器替换传统PI控制器，电流内环采用传统PI控制，形成双闭环控制；具体包括以下步骤：
步骤S1、根据高速永磁同步发电机数学模型，构建以直流侧电压udc为状态变量，q轴电流iq为控制变量的状态方程；
步骤S2、根据状态方程设计高阶滑模控制器；
步骤S3、引入自适应律，并与步骤S2所述高阶滑模控制器结合，设计高阶滑模自适应控制器。
2.根据权利要求1所述的基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法，其特征在于，所述步骤S1中状态方程设计如下：
Figure FDA0003574727720000015
其中，ωe为电角速度，ψmf为转子磁链，idc为直流侧电流，iq为q轴电流，udc为直流侧电压，C为直流侧稳压电容，iL为负载电流。
3.根据权利要求2所述的基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法，其特征在于，所述高阶滑模控制器设计如下：
Figure FDA0003574727720000016
其中，u、v为系统的状态变量，s为滑模变量，Kp、KI为滑模增益，σ为常数；
设定滑模变量
Figure FDA0003574727720000021
对滑模变量s求导，将求导结果简化后即得滑模控制律为：
Figure FDA0003574727720000022
其中，
Figure FDA0003574727720000023
为直流侧电压给定值，udc为直流侧电压的测量值。
4.根据权利要求3所述的基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法，其特征在于，所述步骤S3中自适应高阶滑模控制器设计如下：
Figure FDA0003574727720000024
其中，控制器参数增益自适应律设计如下：
Figure FDA0003574727720000025
KI＝2εK
式中：K(0)>0，δ、γ、μ、φ、ε、η以及α均为大于0的常数，且μ≤s。
5.根据权利要求4所述的基于自适应高阶滑模的高速永磁同步发电系统稳压控制方法，其特征在于，滑模增益K为非负数。
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