[發(fā)明專利]一種用于直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)變流器的多指標(biāo)非線性控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310334453.3
• 申請(qǐng)日: 2013-08-02
• 公開（公告）號(hào): CN103475009A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李嘯驄;王忠勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 李嘯驄;王忠勇
• 主分類號(hào): H02J3/24
• 分類號(hào): H02J3/24
• 代理公司: 福州君誠知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 35211
• 代理人: 戴雨君

1.一種用于直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)變流器的多指標(biāo)非線性控制方法，其特征在于：所述多指標(biāo)非線性控制方法包括以下步驟：?

1）確定風(fēng)輪機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)側(cè)、變流器直流環(huán)輸入級(jí)，中間直流環(huán)節(jié)和輸出級(jí)的電流、電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型，建立風(fēng)電系統(tǒng)的約束方程；?

A1、風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率為風(fēng)力機(jī)從空氣中捕獲的風(fēng)能，風(fēng)輪機(jī)的機(jī)械功率P_m由式（I）所示：其中λ＝Rω/v_w；?????（I）?

式（I）中ρ為空氣的密度，R為風(fēng)輪機(jī)葉片半徑，ν_w為風(fēng)速，C_p為風(fēng)能利用系數(shù)，是永磁體勵(lì)磁磁鏈γ和槳距角β的非線性函數(shù)，β為葉片的槳距角，λ為風(fēng)力機(jī)葉尖速比，ω為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速；?

B1、建立永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型：?

分別以d、q軸建立坐標(biāo)系，假設(shè)d、q坐標(biāo)系以同步速度旋轉(zhuǎn)，且q軸超前于d軸，將d軸定位于定子永磁體的磁鏈方向上，則在d、q軸坐標(biāo)下的永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為：?

式(II)中：u_1d、u_1q分別為永磁同步發(fā)電機(jī)定子輸出的d、q軸電壓，i_1d、i_1q分別為永磁同步發(fā)電機(jī)定子輸出的d、q軸電流；di_1d、di_1q分別表示i_1d和i_1q關(guān)于時(shí)間t的微分，L_1d、L_1q分別為永磁同步發(fā)電機(jī)定子直軸電感和交軸電感；γ為永磁體勵(lì)磁磁鏈，不考慮溫度影響時(shí)γ為一常數(shù)；n_p為永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)；ω_m及R_S分別為定子電角速度和相電阻；?

根據(jù)電力電子技術(shù)理論可得到式（III）公式：?

u_1d＝u_dcm₁cosθ₁,u_1q＝u_dcm₁sinθ₁,u_2d＝u_dcm₂cosθ₂,u_2q＝u_dcm₂sinθ₂；????（III）?

式（III）中，u_dc為網(wǎng)側(cè)直流側(cè)電壓；其中m₁,θ₁為變流器輸入端正弦調(diào)制波的調(diào)制比和調(diào)制角；m₂,θ₂為變流器輸出端正弦調(diào)制波的調(diào)制比和調(diào)制角。?

當(dāng)不考慮轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的凸極效應(yīng)并且電機(jī)氣隙均勻時(shí)，L_1d=L_1q=L₁，L₁為定子電感；則式(II)轉(zhuǎn)換為：?

C1、建立電網(wǎng)側(cè)的數(shù)學(xué)模型：?

將電網(wǎng)電壓綜合矢量定向在d軸上，則d、q坐標(biāo)下網(wǎng)側(cè)模型為：?

式中：u_2d、u_2q分別為d、q軸電壓，i_2d、i_2q分別為d、q軸電流；di_2d、di_2q分別表示i_2d和i_2q關(guān)于時(shí)間t的微分，e_d、e_q為電網(wǎng)d、q軸電壓，ω_f為電網(wǎng)角頻率，L₂、R分別為連接電感及等值電阻；?

將式（III）代入式（V）后得：?

D1、變流器直流環(huán)輸入和輸出的電流為：設(shè)i_dc1,i_dc2分別為變流器直流環(huán)節(jié)輸入和輸出的電流，則

式（VII）中，du_dc表示u_dc關(guān)于時(shí)間t的微分，i_dc1,i_dc2分別為變流器直流環(huán)節(jié)輸入和輸出的電流，C為變流器直流環(huán)節(jié)電容器的電容；?

根據(jù)能量守恒，把式（III）代入式（VII）整理后得：?

E1、建立電磁轉(zhuǎn)矩T_e的數(shù)學(xué)方程：T_e＝1.5n_pi_1q[i_1d(L_1d-L_1q)+γ]；??（IX）由于L_1d=L_1q=L₁，則T_e＝1.5n_pi_1qγ；???（X）?

永磁同步發(fā)電機(jī)在d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和_q軸電壓方程分別為?

u_1d-R_si_1d+ω_mL₁i_1q＝0；u_1q-R_si_1q+ω_mL₁i_1d+γ＝0；??(XI)式中L₁、R_s及ω_m分別為定子電感、相電阻、電角速度；?

F1、建立風(fēng)電系統(tǒng)的約束方程：?

結(jié)合式（I）至式（XI），可得風(fēng)電系統(tǒng)的微分方程式（XII）：?

G1、根據(jù)式（XII），得到風(fēng)電系統(tǒng)的代數(shù)約束方程為式（XIII）：?

T_e-1.5n_pi1_qγ＝0?

u_1d-R_si_1d+ω_mL₁i_1q＝0；???（XIII）?

u_1q-R_si_1q+ω_mL₁i_1d+γ＝0?

2）根據(jù)風(fēng)電系統(tǒng)控制要求，建立非線性控制方法的微分代數(shù)系統(tǒng)：?

A2、微分代數(shù)系統(tǒng)的變換，多輸入多輸出非線性微分代數(shù)系統(tǒng)如式（XIV）所示：?

式（XIV）中x、y分別為多輸出非線性微分代數(shù)系統(tǒng)的n和m維向量；f(x,y)∈Rⁿ，g_i(x,y)∈Rⁿ，p(x,y)∈R^m是對(duì)x和y都可微的非線性向量場(chǎng)；z＝h(x,y)為光滑的向量場(chǎng)，u_i為輸入量；Rⁿ為n維變量空間，R^m為m維變量空間；?

定義1：M導(dǎo)數(shù)是一個(gè)標(biāo)量函數(shù)，對(duì)某一標(biāo)量函數(shù)h(x,y)做關(guān)于向量f(x,y)的M導(dǎo)數(shù)，即做如下運(yùn)算：?

基于相同的原理，高階M導(dǎo)數(shù)定義如下：?

定義2：當(dāng)每個(gè)h_i(x,y)對(duì)如式（XIV）所示的多輸入多輸出非線性微分代數(shù)系統(tǒng)的M導(dǎo)數(shù)?均為零，而不為零，則多輸入多輸出非線性微分代數(shù)系統(tǒng)的相對(duì)階為r_i，多輸入多輸出非線性微分代數(shù)系統(tǒng)的總相對(duì)階如式（XV）所示：?

當(dāng)多輸入多輸出非線性微分代數(shù)系統(tǒng)總相對(duì)階r小于系統(tǒng)維數(shù)n時(shí)，存在n-r個(gè)坐標(biāo)映射；?

μ_j(x,y)(j＝1,2,…,n-r)滿足M_gμ_j(x,y)＝0(j＝1,…，n-r)；?

如式（XIV）所示的多輸入多輸出非線性微分代數(shù)系統(tǒng)在坐標(biāo)變換Φ(x,y)＝[μ₁,μ₂,…μ_r;η₁,η₂,…,η_n-r]^T時(shí)，表述如式（XVI）所示：?

B2、確定輸出函數(shù)：?

對(duì)輸出量采用線性組合的形式，表達(dá)如式（XVII）所示：?

z_i＝h_i(x,y)＝αx+βy????????（XVII）?

式中未知參數(shù)α和β作為狀態(tài)變量x和約束變量y的系數(shù)；?

C3、由線性控制律得到非線性控制律：?

基于線性控制理論得到式（XVIII）所示的線性部分的反饋控制律：?

由式（XIX）所示的控制輸入量u＝B^-1(x,y)(-A(x,y)+v)????（XIX）?

式（XIX）中u＝(u₁,u₂,...u_m)^T,v＝(v₁,v₂,...v_m)^T，

得到多輸入多輸出非線性微分代數(shù)系統(tǒng)的非線性控制律如式（XX）所示：?

3）確定風(fēng)電系統(tǒng)的非線性控制律：?

A3、式（XII）中風(fēng)電系統(tǒng)的微分方程式的相關(guān)變量如式（XXI）及（XXII）所示：?

B3、確定風(fēng)電系統(tǒng)的輸出量：定子d軸電流i_1d、輸出電壓d軸分量u_2d、輸出電壓q軸分量u_2q和網(wǎng)側(cè)直流側(cè)電壓u_dc；?

將輸出函數(shù)選為多個(gè)狀態(tài)量的線性組合形式，因此風(fēng)電系統(tǒng)的輸出函數(shù)如式（XXIII）所示：?

h₁(x,y)＝β₁₁T_e+β₁₂u_1d

h₂(x,y)＝α₂₂i_1q+α₂₄i_2d

h₃(x,y)＝α₃₄i_2d+α₃₃u_dc????????（XXIII）?

h₄(x,y)＝α₄₄i_2d+α₄₅i_2q+α₄₃u_dc

C3、風(fēng)電系統(tǒng)的非線性控制方法為：?

根據(jù)輸出函數(shù)h_i(x，y)，得到風(fēng)電系統(tǒng)的總相對(duì)階為對(duì)以脈沖寬度調(diào)制型變流器為控制目標(biāo)的非線性控制律，首先得到：?

因r₁=r₂=r₃=r₄=1，則?

將以上各式代入式（XX）后得控制輸入如式（XXVI）所示：?

其中?

根據(jù)式(XXVI)即可對(duì)脈沖寬度調(diào)制型變流器中占空比m_i和調(diào)制角θ_i(i＝1,2)進(jìn)行控制，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。?