模型预测转矩自抗扰控制下直驱永磁同步发电机最大追踪系统.pdf
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1、西 安 工 程 大 学 学 报J o u r n a l o f X ia n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y 第3 8卷第1期(总1 8 5期)2 0 2 4年2月V o l.3 8,N o.1(S u m.N o.1 8 5)引文格式:杨亚,朱强,徐杰.模型预测转矩自抗扰控制下直驱永磁同步发电机最大追踪系统J.西安工程大学学报,2 0 2 4,3 8(1):1 6-2 3.YANG Y a,Z HU Q i a n g,XU J i e.D i r e c t d r i v e p e r m a n e n t m a g n e t
2、 s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r m a x i m u m t r a c k i n g s y s-t e m b a s e d o n m o d e l p r e d i c t i v e t o r q u e a c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o lJ.J o u r n a l o f X ia n P o l y t e c h n i c U n i-v e r s i t y,2 0 2 4,3 8(1):1 6-2 3.收稿日期
3、:2 0 2 3-0 8-1 7 修回日期:2 0 2 3-1 0-1 4 基金项目:安徽省高校自然科学研究基金重点项目(2 0 2 2 AH 0 5 2 1 9 6);安徽省高校省级质量工程项目(2 0 2 2 j y x m 1 7 8 8);安徽省职业与成人教育学会教育教学研究规划课题(A Z C J 2 0 2 3 0 5 8)通信作者:杨亚(1 9 9 1),男,讲师,研究方向为机械电子工程等。E-m a i l:y a n g y a 9 1w h i t.e d u.c n模型预测转矩自抗扰控制下直驱永磁同步发电机最大追踪系统杨 亚1,朱 强1,徐 杰2(1.芜湖职业技术学院 智
4、能制造学院,安徽 芜湖 2 4 1 0 0 6;2.江苏省电力设计院,江苏 南京 2 1 0 0 0 0)摘要 为了更好地获取风能,构建了一种基于模型预测转矩自抗扰的最大功率追踪控制系统,用于直驱永磁同步发电机(p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r,PM S G)来实现系统的最大输出功率追踪。为了提升PM S G响应性能,增强PM S G抗扰动性能,首先在电流环设计了模型预测转矩控制(m o d e l p r e d i c t i v e t o r q u e c o n t r o l
5、,MP T C),同时在速度环提出了一种参数补偿改进自抗扰控制(a c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o l,A D R C)策略,该方法继承了A D R C和MP T C的优点,可以很好地处理内部和外部干扰、建模误差和风速变化等不确定性问题,以实现在不同风速下最大功率追踪性能。从仿真结果可知当风速变化较小时所提控制策略转速静态误差几乎为0,传统MP T C控制策略误差为0.2 r a d/s;当风速变化较大时所提控制策略转速静态误差较小,传统MP T C控制策略误差达到5 r a d/s。研究结果表明所提出
6、的控制方法在最大功率追踪较传统控制器具有更好的动态响应性能以及抗干扰性能。关键词 风能转换系统;永磁同步发电机(PM S G);模型预测转矩控制(MP T C);自抗扰控制(A D-R C);参数补偿 开放科学(资源服务)标识码(O S I D)中图分类号:T K 5 1 4;T P 2 7 3.3 文献标志码:AD O I:1 0.1 3 3 3 8/j.i s s n.1 6 7 4-6 4 9 x.2 0 2 4.0 1.0 0 3D i r e c t d r i v e p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s g e n
7、 e r a t o r m a x i m u m t r a c k i n g s y s t e m b a s e d o n m o d e l p r e d i c t i v e t o r q u e a c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o lY ANG Y a1,ZHU Q i a n g1,XU J i e2(1.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,W u h u I n s t i t u t e o
8、f T e c h n o l o g y,W u h u 2 4 1 0 0 6,A n h u i,C h i n a;2.J i a n g s u E l e c t r i c P o w e r D e s i g n I n s t i t u t e,N a n j i n g 2 1 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t I n o r d e r t o b e t t e r o b t a i n w i n d e n e r g y,t h i s a r t i c l e c o n s t r u c t s a m a x i
9、m u m p o w e r t r a c k-i n g c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n m o d e l p r e d i c t i v e t o r q u e a c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n,w h i c h i s u s e d f o r d i r e c t-d r i v e p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r(PM S G)t o a c
10、 h i e v e m a x i m u m o u t p u t p o w e r t r a c k i n g o f t h e s y s t e m.I n o r d e r t o i m p r o v e t h e r e s p o n s e p e r f o r m a n c e o f PM S G a n d e n-h a n c e t h e a n t i-i n t e r f e r e n c e p e r f o r m a n c e o f t h e s y s t e m,t h i s a r t i c l e f i
11、r s t d e s i g n e d m o d e l p r e d i c t i v e t o r q u e c o n t r o l(MP T C)f o r t h e c u r r e n t l o o p,a n d p r o p o s e d a p a r a m e t e r c o m p e n s a t i o n i m p r o v e d a c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o l(A D R C)s t r a t e g y f o r t h
12、 e s p e e d l o o p.T h i s m e t h o d i n h e r i t s t h e a d v a n t a g e s o f A D R C a n d MP T C,a n d c o u l d e f f e c t i v e l y h a n d l e u n c e r t a i n t i e s s u c h a s i n t e r n a l a n d e x t e r n a l i n t e r f e r e n c e,m o d e l i n g e r r o r s,a n d w i n d
13、s p e e d v a r i a t i o n s t o a c h i e v e m a x i m u m p o w e r t r a c k i n g p e r f o r m a n c e a t d i f f e r e n t w i n d s p e e d s.F r o m t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s,i t c a n b e s e e n t h a t w h e n t h e w i n d s p e e d c h a n g e s s l i g h t l y,t h e s
14、t a t i c e r r o r o f t h e p r o p o s e d c o n t r o l s t r a t e g y s p e e d i s a l m o s t z e r o,w h i l e t h e e r r o r o f t h e t r a d i t i o n a l MP T C c o n t r o l s t r a t e g y i s 0.2 r a d/s.Wh e n t h e w i n d s p e e d c h a n g e s s i g n i f i c a n t l y,t h e e
15、r r o r i s s m a l l,a n d t h e e r r o r o f t h e t r a d i t i o n a l MP T C c o n-t r o l s t r a t e g y r e a c h e s 5 r a d/s.T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d c o n t r o l m e t h o d h a s b e t t e r d y n a m i c r e s p o n s e p e r f o r m a
16、 n c e a n d a n t i-i n t e r f e r e n c e p e r f o r m a n c e t h a n t r a d i t i o n a l c o n t r o l-l e r s i n m a x i m u m p o w e r t r a c k i n g.K e y w o r d s w i n d e n e r g y c o n v e r s i o n s y s t e m;p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r
17、;m o d e l p r e d i c t i v e t o r q u e c o n t r o l;a c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o l;p a r a m e t e r c o m p e n s a t i o n0 引 言 风能是一种高效的可再生能源,它清洁,高效的特点使其具有广泛的使用价值,因此在能源危机愈发严重之际,人们加大了对风能的开发,也使得直驱PM S G的应用研究成为热点1。目前使用PM S G进行风力发电的优点主要包括:1)系统的完全可控性,以实现最大风能提取和电网
18、接口;2)实现故障承受和电网支持;3)结构简单。因此,永磁同步发电系统的应用受到越来越广泛的关注。在当前的直驱风力发电系统应用中,PM S G的高性能控制策略主要包括矢量控制和直接转矩控制2。直接转矩控制消除了矢量控制中的复杂坐标变换,可以根据发电机速度直接估计最佳转矩设置。它具有快速的转矩和速度响应性能。结合最佳特性曲线方法,直接转矩控制能够精确跟踪系统的最大功率点,有助于进一步提高系统的整体能源利用效率。传统的直接转矩控制采用滞后控制器,因此存在明显的转矩和磁通波动问题3-4。众多学者对该问题进行了深入研究,并提出了模型预测控制来优化系统的动态性能。文献5 提出一种MP T C来提高船舶永
19、磁同步电机的转矩脉动抑制能力。文献6 提出一种模型预测控制方法,从而提高了控制系统的动态与稳态控制效果。文献7 提出一种模型预测双转矩控制,从而降低了系统的计算量,提高了系统的动态性能,同时减小了系统的转矩脉动。文献8 提出一种模糊MP T C,使得系统的转矩动态响应速度加快,同时降低了转矩脉动。文献9 针对永磁同步电机,提出一种多矢量的模型转矩控制策略,与传统控制策略相比可以更好地抑制控制系统的谐波电流。文献1 0 针对永磁同步电机提出一种基于新型N F T S M控制器的MP T C,可以有效的改善磁链波动与转矩脉动。文献1 1 针对五相磁通切换永磁电机开路故障提出一种模型转矩控制,可以进
20、一步实现开路故障容错。文献1 2 针对永磁同步电机提出一种改进双矢量的模型转矩控制策略,可以发现改策略可以降低转矩脉动,同时可以更好地提高动态性能。文献1 3 针 对 永 磁 同 步 电 机 提 出 一 种 级 联 式 的MP T C策略,与常规策略相比,所提策略可以进一步降低转矩脉动以及磁链波动。文献1 4 针对永磁71第1期 杨亚,等:模型预测转矩自抗扰控制下直驱永磁同步发电机最大追踪系统同步电机提出模糊级联法MP T C策略,可以更好地优化动态性能。文献1 5 针对永磁同步电机模型预测控制时需要设计权重系数的问题提出标幺化无权重系数MP T C,来消除权重系数,并通过仿真验证所设计方法的
21、有效性。文献1 6 针对五相同步电机设计了数阶滑模MP T C,来提高控制系统的性能。文献 1 7,针 对 同 步 电 机 提 出 了 双 矢 量 无 权 重MP T C策略,可以进一步降低控制系统的转矩脉动以及磁链脉动。文献1 8 针对永磁同步电机设计了一种模型预测控制策略,通过专门设计的评价函数,求解最优化电压矢量使得转矩脉动降低。文献1 9针对永磁同步电机设计了一种具有共模电压抑制能力的模型预测控制策略,可以实现较好的控制性能。通过文献5-1 9 可以发现,MP T C具有简单的原理,可以提高系统的动态性能。基于此,本文将MP T C应用于风力发电系统来提高控制系统的电流环的动态性能。A
22、 D R C是在传统P I反馈控制算法的基础上提出的一种新的鲁棒控制设计概念。A D R C器在处理动态不确定性、扰动、非线性等方面也表现出了很好的性能。这最初是文献2 0 首次提出,并在文献2 1 中得到了充分阐述。它不仅将外部干扰和未知内部动态视为系统的新状态,还通过反馈控制动态补偿干扰。此外,A D R C设计不需要模型参数,使得系统更加简单。文献2 2 提出了一种基于传统非线性主动干扰抑制控制的线性A D R C,它不仅继承了传统非线性主动干扰抑制控制的核心优势,而且具有更多的优点。文献2 3 提出A D R C在控制基本肢体康复训练中的应用,对系统进行建模与解耦控制,使得系统对内部和
23、外部的抗扰动性能增加,并增加了系统的鲁棒性。文献2 4 提出了基于自抗扰理论的最大功率点跟踪策略,提出了一种模型补偿A D R C,从而提高了系统的抗扰动性能。文献2 5针对永磁同步电机控制系统提出一种线性A D R C的速度控制策略,通过注入脉冲的方式来提取位置信号,最后实验验证了所提控制策略可以较好地估计速度,同时具有较好的动态性能。文献2 6 针对永磁同步电机控制系统提出一种改进非线性反步自抗扰位置控制策略,可以较好地跟踪位置,从而提高系统控制性能。文献2 7 针对永磁同步电机提出一种一阶线性自抗扰与模糊控制相互结合的控制方法,对自抗扰系统中的参数进行在线整定,并与传统的控制策略进行对比
24、,验证了所提控制策略的有效性。文献2 8 针对永磁同步电机控制系统提出一种非奇异快速终端滑模自抗扰的复合控制方案,该控制策略可以有效的提高控制系统的动态性能,并减小系统抖振。文献2 9 针对永磁同步电机提出一种改进A D R C,其中采用s i g f a l函数替代扩张状态观测,同时采用线性A D R C替代非线性,并验证了所提控制策略的优越性。从上述文献可以发现,目前A D R C已经成为研究热点,对于A D R C应用也越来越广泛2 3-2 9。基于此,本文将MP T C应用于风力发电系统,以解决提高控制系统的电流环的动态性能,并设计了一种综合的补偿A D R C控制策略,旨在解决外部环
25、境突然变化时的速度估计不准确的难题。1 风力发电系统模型直驱 永 磁 同 步 风 力 发 电 系 统 主 要 由 风 机、PM S G和变频器组成。叶片捕获的风能被转换为风力涡轮机的输出机械功率为Pm,并驱动PM S G旋转并产生电能Pe,该电能Pe通过电力转换装置输入到电网中。1.1 风机运行模式在变速风电系统的实际运行中,由于速度和功率的限制,以及系统机械特性和部件性能的影响,风机通常在3种状态下运行:最大功率捕获、恒定速度和恒定功率。这3种状态对应于图1风机运行模式中的区间a、b、c。其中,vs是切入风速,va是与最大转子速度相对应的风速,vc是额定风速,vx是切出风速,?是风机的角速度
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