申请/专利权人：曲阜师范大学

申请日：2020-06-17

公开（公告）日：2020-09-18

公开（公告）号：CN111682815A

主分类号：H02P21/00(20160101)

分类号：H02P21/00(20160101);H02P21/13(20060101);H02P21/14(20160101);H02P21/18(20160101);H02P21/20(20160101);H02P21/22(20160101);F03D7/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.04.14#授权;2020.10.20#实质审查的生效;2020.09.18#公开

摘要：本发明公开一种含高频干扰重构的风力机舱偏航控制方法，针对风力磁悬浮机舱偏航对风存在弱阻尼、电磁转矩脉动以及外界风力干扰等严重影响偏航稳定性问题，基于轴径向磁场解耦方法以及转速和电流双闭环串级控制机制，提出了基于状态反馈跟踪控制、自适应不确定项补偿以及滑模自适应干扰观测相结合的复合控制策略，采用滑模项对对转矩脉动等偏航快变干扰的重构，引入自适应干扰逼近慢变干扰，协同前馈转速跟踪控制，提升偏航电机干扰抑制能力；自适应不确定项补偿可优化偏航电机超低速跟踪控制，补偿风力机舱偏航电机的低频脉动。

主权项：1.一种含高频干扰重构的风力机舱偏航控制方法，其特征在于：采用风力机舱悬浮磁场和偏航磁场轴径向解耦方法，偏航转速环和电流跟踪环相结合的串级控制；所述偏航转速环包括滑模自适应干扰观测器、自适应不确定项补偿和状态反馈控制器三部分，所述滑模自适应干扰观测器应对外界高频风干扰和偏航转矩脉动高频干扰分量，采用滑模调整项对高频干扰分量重构，对干扰慢变部分由自适应项在线干扰估计，并将观测量前馈于转速控制器；所述偏航转矩脉动是风力机舱悬浮重量所致的转子齿槽较深，偏航旋转导致定转子气隙脉动影响气隙磁场能，构建机舱悬浮气隙周期变化模型和气隙磁场能机理描述式，对气隙磁场能基于转子旋转角度的偏微分，计算获取转矩脉动分量；所述自适应不确定项补偿根据实时计算的偏航转速跟踪误差，自适应获取补偿，因偏航模型参数时变对偏航转速影响以及变工况所致的偏航跟踪误差，所示状态反馈控制器是基于偏航转速误差积分增广方程而设计，包括以下步骤：步骤1，偏航转矩脉动机理分析和计算第一步，对定转子间气隙δ倒数进行傅里叶展开为 其中，p为盘式电机转子磁极对数，δmin为最小悬浮气隙，δmax为最大悬浮气隙，αm为极宽bN和极矩τN之比；第二步，基于dq旋转坐标系下，构建风力机舱定转间的气隙磁场能为 其中， θm为转子机械角度，ia，ib，ic分别为定子三相电流，id和iq分别为dq旋转坐标下的励磁和转矩电流；第三步，将式1代入式2可得气隙磁场能，同时对气隙磁场能基于转子旋转角度求偏导得 其中，Te0为偏航电机电磁转矩稳态分量，TΔif为悬浮电流产生的电磁转矩分量，Tcog为电磁转矩脉动，为机舱两侧电流平均值，各分量表达式为： 步骤2，构建风力机舱偏航电机控制模型第一步，引入了偏航位置角变量，将风力机舱偏航动态模型增广为 其中，J为转动惯量，ω为角速度，Te0为电磁转矩基准值，TΔif为悬浮电流产生的电磁转矩分量，Tcog为脉动转矩，Ty为偏航负载转矩，B为阻尼系数；第二步，分别以θe和ω为状态变量xm1和xm2，并以为虚拟控制输入，则偏航电机转速环的状态空间方程为： 其中，Tl＝Tif0+Tcog-Ty-Bω；步骤3，对式6中偏航运行干扰量Ty、TΔif、Tcog性能分析1其中Cs为风能利用系数，ρ0为空气密度，V有效风速，α为偏航角度，As桨叶侧面积，Rn为偏航力臂，为偏航负载转矩变化率ρ3为偏航负载转矩变化最大值，为快变性干扰；2因转子旋转角度而变化，但偏航超低速ω≤10rpm，为慢变干扰；3为脉动转矩，其值随k高阶谐波增大，存在快变和慢变干扰转矩脉动；步骤4，自适应不确定项补偿的状态反馈转速控制器设计第一步，根据式6，定义虚拟变量E＝[∫ωref-ωdt,ωref-ω]T，为慢变干扰转矩的自适应补偿量，虚拟控制输入设置为则转速误差增广模型为： 第二步，采用状态反馈法设计控制器，虚拟控制输入为和转矩电流控制输入分别为um1＝-KE＝[k1k2]·[∫ωref-ωdt,ωref-ω]T8 第三步，采用Lyapunov函数求取自适应率，为fdc补偿项估计值，为自适应补偿误差，构建偏航电机转速闭环Lyapunov函数为： 其中，η为正常数，矩阵P和Q为对称正定矩阵满足ΛTP+PΛ＝-Q，Λ为期望系统矩阵，设置不确定项自适应律为对式10求导可得 可知，该自适应率下的干扰补偿的跟踪控制器在Lyapunov稳定条件下渐进稳定；步骤5，设计偏航电机滑模自适应干扰转矩观测器，引入滑模调整项Gnv对偏航负载转矩Ty和Tcog内高频部分进行重构Gn为调整矩阵，v为滑模调整量，而对Tcog内的慢变干扰则由自适应在线估计，引入Gley加快滑模观测器的快速收敛，偏航电机的滑模自适应负载转矩观测器表示为： 其中，v＝-ρ3sgneyρ3≥0，Am0＝Am-GlC，存在Gl＝[k1k2]，使得存在对称正定矩阵Pm和满Qm足Am0TPm+PmAm0＝-Qm，Am0为基于状态反馈控制得到的期望系统矩阵。

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百度查询： 曲阜师范大学 一种含高频干扰重构的风力机舱偏航控制方法

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