劉 波 金 昊 賀志佳

(東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

由于永磁同步電機具有損耗小、功率密度高、節(jié)電效果好及脈動轉(zhuǎn)矩低等優(yōu)點而被廣泛應用于交流調(diào)速和風力發(fā)電系統(tǒng)中。對基于永磁同步電機的風電系統(tǒng)和其他大慣量負載調(diào)速系統(tǒng)中，不僅要求永磁同步電機對速度指令做出快速響應，還要求具有準確的跟蹤能力[1～3]。特別是具有大慣量負載的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)，如兆瓦級永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)等，其負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動慣量呈增函數(shù)關系[4]，調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)響應慢，且因采用傳統(tǒng)電流反饋控制不能實現(xiàn)完全解耦，系統(tǒng)動、靜態(tài)誤差增大，整體控制性能下降[5,6]。而目前對永磁電機的矢量控制研究主要針對靜態(tài)性能的改善，很少考慮對大慣量負載永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)過程的優(yōu)化控制。因此，筆者提出基于電壓前饋解耦電流矢量控制策略，設計了可實時在線觀測的負載轉(zhuǎn)矩觀測器，并將其輸出前饋于系統(tǒng)電流控制環(huán)，對定子電流進行實時動態(tài)補償，加快大慣量負載永磁同步電機的動態(tài)響應，提高永磁同步電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的準確性和快速性。

1.1 永磁同步電機數(shù)學模型

d-q軸坐標系下永磁同步電機定子電壓方程、運動方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程分別為[4]：

(1)

(2)

(3)

式中B——粘性摩擦系統(tǒng)；

J——電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；

Ld、Lq——永磁同步電機d、q軸電感；

pn——電機極對數(shù)；

Rs——定子電阻；

Tl——負載轉(zhuǎn)矩；

ωr——轉(zhuǎn)子電角速度；

ωm——轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)角速度；

ψf——轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈。

當電機為隱極式永磁同步電機時，即Ld=Lq，式(3)可變換為：

(4)

由式(4)可知，對于隱極式永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)，只需調(diào)節(jié)iq即可控制電機電磁轉(zhuǎn)矩，從而達到調(diào)速的目的。

1.2 電壓前饋解耦電流控制策略

對于永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)控制部分通常采用電流反饋矢量控制，如圖1所示。電流指令值與電流反饋值進行比較，其差值通過PI電流調(diào)節(jié)器得到電壓指令值[5,6]。

圖1 電流反饋矢量控制結(jié)構(gòu)

為了消除耦合項對系統(tǒng)控制的影響，對電流反饋控制環(huán)部分增加了電壓前饋環(huán)節(jié)，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，電壓前饋解耦控制是通過增加前饋補償項，將定子電壓中的耦合項互相抵消，從而消除耦合項所帶來的耦合擾動。且耦合項中的Ld、Lq和ψf為系統(tǒng)已知常數(shù)，因此只需檢測出ωr和定子電流id、iq即可達到解耦的目的。

2 負載轉(zhuǎn)矩觀測與轉(zhuǎn)動慣量辨識

2.1 負載轉(zhuǎn)矩觀測與前饋補償

根據(jù)永磁同步電機運動方程，定義TF為：

(5)

且加速轉(zhuǎn)矩分量可以寫成[7]：

(6)

對于隱極式永磁同步電機來說，將其電磁轉(zhuǎn)矩表達式代入式(5)中，可得：

(7)

其中，電機極對數(shù)pn、永磁體磁鏈ψf和采樣周期均可認為是常數(shù)。

可以認為辨識得到的負載轉(zhuǎn)矩TF與實際系統(tǒng)中負載轉(zhuǎn)矩相等，因此，可以根據(jù)式(7)設計負載轉(zhuǎn)矩在線觀測器。

2.2 轉(zhuǎn)動慣量辨識

為了得到負載轉(zhuǎn)矩觀測值，需要知道系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量J，然而，轉(zhuǎn)動慣量會隨著工況的不同而變化。因此，為了得出準確的負載轉(zhuǎn)矩觀測值需要對轉(zhuǎn)動慣量進行在線辨識。

轉(zhuǎn)動慣量的真實值表達式為[8]：

J=J*+ΔJ

(8)

式中J*——轉(zhuǎn)動慣量的觀測值；

ΔJ——轉(zhuǎn)動慣量真實值與觀測值間的誤差。

且根據(jù)式(7)有：

(9)

(10)

將式(8)代入式(10)，可得轉(zhuǎn)動慣量辨識表達式：

圖3 負載轉(zhuǎn)矩前饋補償控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(11)

根據(jù)式(11)搭建轉(zhuǎn)動慣量在線觀測器，并將辨識得到的轉(zhuǎn)動慣量作為負載轉(zhuǎn)矩觀測器的輸入，實現(xiàn)大慣量負載發(fā)生突變時跟蹤轉(zhuǎn)動慣量的變化來實時觀測負載轉(zhuǎn)矩，并將觀測到的負載轉(zhuǎn)矩前饋于電流控制環(huán)構(gòu)成電流控制給定值，及時跟蹤大慣量負載轉(zhuǎn)矩變化，提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟蹤控制的快速性與準確性。

3 仿真驗證

為驗證負載轉(zhuǎn)矩補償控制的有效性，筆者運用Matlab/Simulink仿真平臺，分別對電壓前饋解耦電流控制策略、負載轉(zhuǎn)矩觀測器和轉(zhuǎn)動慣量辨識進行仿真驗證。仿真采用的隱極式永磁同步電機的參數(shù)為：定子相繞組電阻為0.05Ω，繞組電感交直軸分量為Ld=Lq=0.3mH，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量真實值為50 000kg·m2，極對數(shù)為60，永磁體磁鏈為1.48Wb，功率為2MW。

圖4 電流反饋與電壓前饋解耦控制速度跟蹤對比仿真波形

如圖5所示，速度給定值信號設定為最大值2rad/s、最小值1rad/s，周期為0.01s的三角波周期信號，可以看出，轉(zhuǎn)動慣量辨識結(jié)果經(jīng)過短時間內(nèi)到達穩(wěn)定值且非常接近真實值50 000kg·m2，表明該方法轉(zhuǎn)動慣量辨識精度很高且辨識速度快。

圖5 轉(zhuǎn)動慣量辨識波形

為驗證負載轉(zhuǎn)矩觀測器的正確性，將速度給定值信號設為恒定2rad/s，電機輸入的機械轉(zhuǎn)矩信號設定為系統(tǒng)運行初始時100kN·m，當運行至0.5s時突變至400kN·m，圖6為負載轉(zhuǎn)矩觀測值波形。

圖6 負載轉(zhuǎn)矩觀測仿真波形

由圖6可以看出，所設計的負載轉(zhuǎn)矩觀測器可以準確地跟蹤實際負載轉(zhuǎn)矩，并在負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時，能夠快速、準確地跟蹤實際負載轉(zhuǎn)矩的變化，從而給負載補償控制提供準確的補償信息。

在確保轉(zhuǎn)動慣量辨識與負載轉(zhuǎn)矩觀測的準確性和有效性之后，將進行大慣量負載永磁電機速度跟蹤控制對比仿真。在系統(tǒng)運行的過程中，負載轉(zhuǎn)矩初始為180kN·m，電機轉(zhuǎn)速的給定值為1.01rad/s，當系統(tǒng)運行至0.5s時，負載轉(zhuǎn)矩突變至500kN·m，電機轉(zhuǎn)速給定值增加至2.02rad/s。未加入負載轉(zhuǎn)矩補償時，電機實際轉(zhuǎn)速跟蹤波形如圖7所示。

圖7 未加補償?shù)碾姍C轉(zhuǎn)速跟蹤波形

由圖7可以看出，未引入轉(zhuǎn)矩觀測器的矢量控制系統(tǒng)雖然能夠跟蹤上給定轉(zhuǎn)速，但是當負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時，實際轉(zhuǎn)速存在明顯波動。加入負載轉(zhuǎn)矩補償后，電機轉(zhuǎn)速跟蹤波形如圖8所示。

可以看出，加入補償后電機實際轉(zhuǎn)速能夠快速跟蹤給定的轉(zhuǎn)速，并且在負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時，能夠較好地抑制擾動，使電機實際轉(zhuǎn)速更快地跟蹤給定轉(zhuǎn)速軌跡，并且減小電機實際轉(zhuǎn)速的波動，從而提高了永磁同步電機在大慣量負載時的動態(tài)響應速度。

圖8 加入補償后的電機轉(zhuǎn)速波形

4 結(jié)束語

筆者針對永磁電機常規(guī)解耦控制存在的問題，提出了基于電壓前饋解耦的電流矢量控制策略，減小了轉(zhuǎn)速控制的跟蹤誤差?；陔姍C系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)動慣量隨不同工況而變化，設計了轉(zhuǎn)動慣量在線辨識和負載轉(zhuǎn)矩實時觀測器，并將其補償于轉(zhuǎn)速控制環(huán)中，加快了大慣量負載永磁電機轉(zhuǎn)速控制響應，有效抑制了由負載轉(zhuǎn)矩突變引起的速度擾動，使整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的動、靜態(tài)性能得到明顯提高，實現(xiàn)了大慣量負載永磁同步電機的優(yōu)化控制。對提出的控制策略進行了理論分析和仿真驗證，證明了其有效性。

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