基于自适应超螺旋算法的高速永磁同步发电机稳压控制策略

第27卷㊀第7期
2023年7月
㊀
电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control
㊀
Vol.27No.7Jul.2023
㊀㊀㊀㊀㊀㊀
基于自适应超螺旋算法的高速永磁同步发电机
稳压控制策略
殷生晶,㊀王晓琳
(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京211106)
摘㊀要:高速永磁同步发电机(HSPMSG )系统采用传统PI 控制,负载突变时存在输出电压波动大㊁响应速度慢及抗扰性能差等问题,提出一种基于自适应超螺旋算法(STW )的高速永磁同步发电机稳压控制策略㊂在建立含控制延时交叉耦合项电流环控制模型的基础上,设计基于超螺旋算法的非线性电压控制律㊂同时,为抑制系统抖振,提出采用连续函数替换符号函数设计电压控制器㊂此外,针对扰动边界不确定与控制参数矛盾的问题,提出一种改进型自适应超螺旋算法(ASTW ),并对稳定性进行了深入分析和理论证明㊂最后,搭建了仿真模型和实验平台,仿真和实验表明该控制策略可抑制系统抖振㊁减小电压波动,提高系统的动态响应速度和抗负载扰动的能力㊂关键词:高速永磁同步发电机;超螺旋算法;自适应;稳定性;抗扰性DOI :10.15938/j.emc.2023.07.004
中图分类号:TM341
文献标志码:A
文章编号:1007-449X(2023)07-0030-10
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㊀㊀㊀㊀㊀㊀
收稿日期:2022-05-04
基金项目:国家自然科学基金(5217070613);江苏省自然科学基金(BK20201297)
作者简介:殷生晶(1993 ),男,博士研究生,研究方向为高速永磁同步发电系统控制技术;
王晓琳(1976 ),男,教授,博士生导师,研究方向为高速永磁电机及其驱动技术㊁无轴承磁悬浮技术等㊂
通信作者:王晓琳
Voltage-stabilizing control strategy of high-speed permanent magnet synchronous generator based on adaptive super-twisting algorithm
YIN Shengjing,㊀WANG Xiaolin
(School of Automation,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China)
Abstract :In order to solve the problems of large output voltage fluctuation,slow response speed and poor anti-interference performance of high-speed permanent magnet synchronous generator (HSPMSG)system under traditional PI control,a voltage stabilizing control strategy based on adaptive super-twisting algo-rithm(STW)was proposed.Based on the current loop control model with control delay and cross cou-
pling term,a nonlinear voltage control law based on super-twisting algorithm was designed.At the same time,in order to suppress the chattering of the system,the continuous function was proposed to replace the symbolic function to improve the voltage controller.Aiming at the contradiction between disturbance boundary uncertainty and control parameters,an improved adaptive super-twisting algorithm(ASTW)was proposed,and its stability is deeply analyzed and proved theoretically.Finally,the simulation model and experimental platform were built.The simulation and experiments show that the control strategy can sup-press the system chattering,reduce the voltage fluctuation,improve the dynamic response speed of the
system and the ability to resist load disturbance.Keywords :high-speed permanent magnet synchronous generator;super-twisting algorithm;adaptive;sta-bility;immunity
0㊀引㊀言
高速永磁同步发电机(high-speed permanent magnet synchronous generator,HSPMSG)中的磁场由永磁体提供不需要电励磁装置,具有损耗小㊁高功率密度㊁高效率以及高动态性能的优点㊂通常,高速永磁同步发电机后级接PWM整流装置输出稳定㊁可控的直流电,被广泛应用于多电飞机[1-3]㊁特种车辆[4]㊁飞轮储能[5-6]㊁微型燃气轮机[7]㊁军舰船舶[8]等㊂以上应用场合多数采用单机或多机并网运行,其电网系统为非大电网系统(不具备大电网系统特征),发电机工作状态易受到负载条件影响,尤其是负载突变情况下会引起电压波动,严重时会导致系统失稳㊂
为提高系统的抗干扰能力㊁降低电压波动,目前已有多种先进控制策略被提出,如前馈补偿控制[11-13]㊁二自由度控制[14-15]㊁模型预测控制[16]等㊂上述几种控制策略都是基于系统已知的数学模型进行设计的,且对数学模型具有较强的依赖性㊂但是,在实际工况中电机是一个复杂的㊁非线性模型,很难建立高精度的数学模型㊂因此,上述控制方法具有一定的局限性㊂而滑模控制对模型精度要求不高且具有较强的鲁棒性,是一种较为理想的非线性控制方案㊂目前,滑模控制已被应用于永磁同步电机调速系统㊁变换器㊁并网脉宽调制等㊂文献[17-18]设计了一种基于滑模的转速外环控制器,有效地改善了系统的动稳态性能㊂文献[19]提出了一种单位功率因数三相PWM整流器滑模电压控制策略,以提高响应速度,增加系统的鲁棒性㊂然而,目前有关滑模控制在永磁同步发电系统中的研究较少,滑模控制在上述领域的应用为其在永磁同步发电系统中的应用奠定了基础㊂通过借鉴滑模控制器在上述领域的应用,并结合永磁同步发电机系统自身的特点,可设计基于滑模的永磁同步发电系统电压控制器㊂
由于滑模控制中存在不连续的开关函数,会导致系统抖振㊂因此,如何降低系统的抖振成为滑模控制的一个关键问题㊂目前,降低抖振现象的方法主要有两种:一是改进趋近律[20],二是采用高阶滑模[21]㊂超螺旋算法(super-twisting algorithm,STW)作为一种特殊的高阶滑模,因其所需信息少㊁控制精度高而得到了广泛的应用㊂STW在设计时需要知道系统扰动的上界,但在实际应用中,被控系统的扰动上界通常难以测量和估算㊂因此,滑模控制器的增益可能会选的很大,这将加剧系统的抖振现象㊂针对这一问题,文献[22-23]结合自适应控制思想对扰动边界与控制器参数矛盾的问题进行了初步探讨㊂
综上,针对高速永磁同步发电机系统存在抗扰性能差㊁电压波动大的问题,本文提出一种基于自适应超螺旋算法(adaptive super-twisting algorithm,
ASTW)的稳压控制策略㊂首先,在考虑控制延时对电流环进行建模的基础上,设计基于超螺旋算法的电压外环控制器,并且提出采用连续函数替换符号函数的方法来改进控制律以减小系统的抖振㊂然后,为解决扰动边界不确定与控制器增益之间的矛盾,结合自适应思想,设计一种改进型自适应超螺旋控制律,从而避免控制增益选择偏大的问题㊂最后,基于一台高速永磁同步发电机进行仿真与实验,验证所提控制策略的正确性与有效性㊂
1㊀PMSG-PWM整流系统数学模型PMSG-PWM整流系统的拓扑图如图1所示㊂该系统由永磁发电机㊁PWM三相整流器㊁直流母线稳压电容㊁用电负载等组成,其中永磁同步发电机与原动机同轴连接,由原动机拖动将机械能转换为三相交流电能,并通过PWM整流器转换为直流电供负载使用
㊂
图1㊀PMSG-PWM整流系统拓扑图
Fig.1㊀Topology system of PMSG-PWM rectifier
根据图1所示的PMSG-PWM整流系统的拓扑图,可以建立永磁同步发电机的数学模型㊂为简化分析,假设转子永磁磁场在气隙中的分布为正弦波,并忽略定子铁心饱和,不计铁心的涡流损耗与磁滞损耗㊂在以上假设下,采用发电机惯例可得到PMSG在d-q旋转坐标系下的数学模型,其电压方程为
u d
u q
é
ë
êêù
û
úú=
-R s-DL dωe L q
-R s-DL q-ωe L d
é
ë
êêù
û
úú
i d
i q
é
ë
êêù
û
úú+
ωeψmf
é
ë
êêù
û
úú㊂
(1)
13
第7期殷生晶等:基于自适应超螺旋算法的高速永磁同步发电机稳压控制策略
式中:u d ㊁u q 分别为d㊁q 轴电压;i d ㊁i q 为d㊁q 电流;R s 为电机定子绕组的电阻;L d ㊁L q 为d㊁q 轴电感;D 为微分项,即电感的导数;ωe 为电机的电角速度;ψmf 为永磁体磁链㊂
稳态时,可认为电流恒定不变,忽略交直轴电流微分项,可将式(1)简化为
u d u q éëêêùûúú=-R s ωe L q -R s
-ωe L d éëêêùûúúi d i q éëêêù
û
úú+0ωe ψmf éëêêùû
úú㊂(2)
永磁同步发电机在d -q 旋转坐标下的电磁转
矩方程为
T e =1.5p [ψmf +(L q -L d )i d ]i q ㊂
(3)功率方程为
P e =1.5(u d i d +u q i q )㊂
(4)
式中:P e 为永磁同步发电机的电磁功率;T e 为永磁同步发电机的电磁转矩;p 为电机的极对数㊂
将式(2)代入式(4)可得
P e =1.5ωe [ψmf +(L q -L d )i d ]i q ㊂
(5)
对于隐极式永磁同步发电机有L d =L q =L ,故
式(5)可简化为
P e =1.5ωe ψmf i q ㊂
(6)
2㊀基于自适应超螺旋算法的稳压控制
策略
㊀㊀对于高速永磁同步发电机而言,其最显著的特点就是运行基频高㊂通常在永磁同步发电机电流环设计时忽略了数字控制延时带来的影响,从而导致电流环控制精度降低,进而影响电压外环的控制㊂尤其对于高速电机而言,其影响更为严重㊂因此,本文将控制延时考虑在内,对电流环控制器进行了完善,并在此基础上设计电压控制器㊂2.1㊀电流内环设计
数字控制系统的延时主要包括数字控制器引起的一拍延时及PWM 整流器单元等效的零阶保持器引起的半拍延时㊂因此,系统总的控制延时为
T d =1.5T s ㊂
(7)式中:T d 为总的控制延时;T s 为系统的控制周期㊂
同步旋转坐标下控制延时可表示为
G e d (s )=e
-(s +j ωe )T d
㊂(8)
根据式(8)可知,如果在电流调节器中增加相角补偿环节e -j ωe T d 即可抵消延时环节中的复数项,最后得同步旋转坐标下控制系统的延时环节为
G e d (s )=e
-sT d
㊂(9)
本文将控制延时考虑在内,对电流环进行重新
建模,建模时增加了相角补偿环节对延时环节的复数项进行了补偿㊂图2给出了q 轴电流环的控制系统框图㊂图中:i ∗q 为交轴电流的给定值;i q 为交轴电流反馈值;k p_q ㊁k i_q 分别为PI 调节器的比例增益与积分增益;e -(s +j ωe )T d 为延时环节;e j ωe T d 为角度补偿
㊂
图2㊀q 轴电流内环控制系统框图
Fig.2㊀Control system block diagram of q axis current
根据图2可得电流内环的开环传递函数为G o (s )=(K p_q +
K i_q s )1
sL s +R s e -sT d ㊂(10)式中的延时环节用一阶惯性环节近似代替,即
e -sT d =
1
T d s +1
㊂
(11)
图3给出了控制延时对电流环影响的伯德图㊂从图中可以看出,控制时间延迟会引起相位滞后,且随着频率的增大相位滞后增大㊂角度延迟导致全频段范围内相位滞后,随着转速的增大,相位滞后增大,转速过高将会导致系统失稳㊂因此,对高速电机电流环建模时考虑控制延时是非常有必要的
㊂
图3㊀控制延时对电流环影响伯德图
Fig.3㊀Bode diagram of corrected current inner loop
采用频率分析法对电流环进行校正,校正前后电流内环的伯德图如图4所示㊂从图中可以看出,校正前系统的截止频率为ωc =12057rad /s,相位裕度为-6.63ʎ㊂为了使系统能够稳定,通常相位裕度在30ʎ~60ʎ范围内,即相位在-150ʎ~-120ʎ㊂本文选取相位裕度为45ʎ对系统进行校正,从图中可以看出,校正后的幅值裕度和相位裕度满足稳定性
23电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀
的要求
㊂
图4㊀校正后电流内环伯德图
Fig.4㊀Bode diagram of corrected current inner loop
2.2㊀基于超螺旋算法的电压外环控制策略
为提高HSPMSG-PWM 整流系统的动态性能,减小由负载扰动引起的直流母线电压波动,本文提出了基于超螺旋算法的电压外环控制策略㊂
根据超螺旋算法的设计原则,并结合高速永磁同步发电系统的控制目标,首先定义电压的跟踪误差为
s =u
∗
dc
-u dc ㊂(12)
式中:u ∗dc 为直流侧电压的给定值;u dc 为直流侧电
压的反馈值㊂
给出超螺旋算法如下[24]:
u =-K p |s |1/2sgn(s )+v +ρ;v ㊃
=-K I sgn(s )㊂
}
(13)
式中:u ㊁v 为控制律;s 为滑模变量;K p ㊁K I 为滑模增益;sgn(㊃)为符号函数;ρ为扰动项㊂当ρ满足
ρɤa |s |1/2,
(14)且K p ㊁K I 满足下式时系统能在有限时间内收敛[25]:
K P >a |s |1/2;
K I >(5aK 2
p
+4K P a 2
)/2(K P -2a )㊂
}
(15)
其中a 为满足式(14)的任意常数㊂
由式(12)可得滑模变量的导数为
s ㊃
=-u ㊃
dc ㊂
(16)
根据HSPMSG 整流系统直流侧电压方程与功率守恒定律可得:
㊀㊀㊀u dc i dc =1.5(u d i d +u q i q );(17)㊀㊀㊀
C d u
dc d t
=i dc -i L ㊂(18)
式中:C 为直流侧稳压电容;i dc 为直流侧电流;i L 为
负载电流;u dc 为直流侧电压㊂
因此可得滑模变量的导数为
s ㊃
=-u ㊃
dc =-1
C (i dc
-i L )㊂(19)
结合式(4)㊁式(6)与式(17)可得直流侧电流的表达式为
i dc =1.5ωe ψmf i q /u dc ㊂
(20)将式(20)代入式(19)可得
u ㊃
dc =
1C (1.5ωe ψmf u dc
i q -i L )㊂(21)
式中i q 为STW 控制器的输出量㊂
扰动项为
ρ=i L /C ㊂
(22)将式(22)代入式(14)可得
i L /C -a |s |1/2ɤ0㊂
(23)
由式(23)可以看出,当a 取值足够大时,系统满足稳定性的条件㊂
将式(21)代入式(16)可得
s ㊃
=-u ㊃
dc =-(
1.5ωe ψmf Cu dc i q -1
C
i L )㊂(24)
因此,结合式(24)与式(13)可得基于超螺旋算法的高速永磁同步发电机电压外环控制律为
i q =
1
B
[K p |s |1/2sgn(s )+ʏ
K I sgn(s )d t ]㊂(25)
式中B =1.5ωe ψmf /Cu dc ㊂
由式(13)与式(25)可以看出,系统中存在着不
连续的开关函数sgn(s ),会导致系统抖振严重㊂为削弱抖振,本文采用准滑动模态控制对其进行改进㊂准滑动模态控制通常有两种方式,分别是饱和函数和连续函数㊂本文采用连续函数对超螺旋算法进行改进,其表达式为
θ(s )=
s
|s |+σ
㊂
(26)
式中σ为数值较小的常数㊂
改进后的控制律为i q =
1B [K p |s |1/2s |s |+σ+ʏ
K I s |s |+σ
d t ]㊂(27)
2.3㊀自适应超螺旋算法控制器
由式(25)可以看出,在设计电压环控制律时忽略了扰动项,扰动边界值是通过估算后直接给出的,然而实际情况中扰动并非是一个确切值㊂因此需要
3
3第7期
殷生晶等:基于自适应超螺旋算法的高速永磁同步发电机稳压控制策略
选择较大的控制增益来抵消扰动的影响㊂但是,过大的控制增益会导致系统抖振严重㊂为解决扰动边界未知与控制器参数选择之间存在的矛盾,本小节在超螺旋算法的基础上结合自适应控制理论,设计了一种自适应超螺旋算法㊂
自适应超螺旋算法的控制律表达式为i q =1B K |s |1/2s |s |+σ+2εK ʏ
s |s |+σ
d t [
]
㊂(28)
其中:K ㊃
=
(δ
γ
2
+ϕ|s |)sgn(|s |-μ),K >α;η,K ɤα㊂
{
(29)
式中K (0)>0,δ㊁γ㊁μ㊁ϕ㊁ε㊁η以及α均为大于0的常数,且μɤ|s |㊂
为证明上述自适应超螺旋算法的稳定性,选取李雅普诺夫函数为
V =ξT Pξ㊂
(30)
其中:
ξ=|s |1/2s |s |+σʏ
2εK B s |s |+σd t éëêê
êêùûúúúú;P =128εK +K 2
K K 2éëêêùûúú㊂üþ
ýïï
ïïï
ïïï(31)
将式(30)求导可得
V ㊃
=-|s |
-1/2
ξT P 1ξ+|s |-1/2
ρ1P 2ξ㊂
(32)
式中:
P 1=
K
2
4εK +K 2K K
2éëêêùûúú;P 2=124εK +12K 2εK
éëêêêùûúúú㊂ü
þý
ïï
ï
ïïï
(33)
将式(32)进行简化可得
V ㊃
ɤ-|s |
-1/2
ξT Qξ㊂
(34)
其中
Q =
124εK +K 2-(8ε+K )a
K -a 2K -a 2
1éëêêêêù
û
úúúú㊂(35)
若保证系统稳定,则Q 为正定矩阵,因此可得:
K >2a ;
ε>a 2
16(K -2a )
㊂
}
(36)
当控制参数满足式(36)时,系统满足稳定性条件㊂
本文所设计的自适应超螺旋算法电压外环控制框图如图
5所示㊂
图5㊀基于ASTW 电压外环控制框图
Fig.5㊀Control block diagram of voltage outer loop
based on ASTW
综上所述,本文提出的基于自适应超螺旋算法的稳压控制策略如图6所示㊂其中电压外环采用自适应超螺旋算法,
电流内环仍采用PI 控制方法㊂
图6㊀基于ASTW 高速永磁同步发电机控制框图Fig.6㊀Control block diagram of HSPMSG based
on ASTW
3㊀仿真与实验验证
为验证所提出的基于自适应超螺旋算法的稳压控制策略的正确性与有效性,本文基于一台表贴式高速永磁同步发电机进行了相关的仿真研究与实验验证㊂本文采用的样机主要参数如表1所示㊂
本文使用MATLAB /Simulink 仿真平台搭建了如图6所示的基于自适应超螺旋算法的高速永磁同步发电机仿真模型㊂分别采用传统PI 控制与ASTW 控制器进行了仿真分析,以验证本文所提控制策略的有效性,表2给出了传统PI 控制器与ASTW
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控制器的控制参数㊂需要说明的是,为了实现比较的公平性,表中参数均是通过广泛调优得到的㊂
表1㊀样机参数
Table1㊀Parameters of prototype
㊀㊀㊀参数数值
额定功率/kW0.5
额定转速/(r/min)18000
相电阻/mΩ100
直轴电感/μH82.5
交轴电感/μH82.5
转子极对数1
额定相电流幅值/A20
永磁体磁链/Wb0.01026
直流侧电压/V60
表2㊀控制系统参数
Table2㊀Parameters of control system
PI参数ASTW参数
k P_q=k P_d=1.2ε=0.01
k I_q=k I_d=1046δ=10
k P_u=0.8γ=0.1
k I_u=1000μ=0.05
㊀㊀-ϕ=50
㊀㊀-η=2500
3.1㊀仿真验证
图7和图8分别给出了采用传统超螺旋算法与改进超螺旋算法在系统稳定运行状态下的波形图㊂其中,图7(a)和图8(a)为系统稳定运行状态下直流侧电压波形图,图7(b)和图8(b)分别为采用开关函数与连续函数状态变量到达滑模面时的运行状态㊂从图7(b)和图8(b)可以看出,改进超螺旋算法当到达滑模面时滑模变量将收敛到0,故抖振较小㊂而采用开关函数当趋近滑模面时,滑模变量沿滑模面进行高频切换,因此抖振较大㊂对比图7和图8可以看出,采用改进后的超螺旋算法系统抖振明显减小㊂
图9为系统空载启动时,采用传统PI控制和ASTW控制直流侧电压波形图㊂从图中可以看出,采用传统PI控制系统在启动时存在较大的超调,超调量为9.16%左右㊂而采用本文所提的ASTW控制策略系统在启动时直流侧电压超调量很小,仅为1.67%
㊂
图7㊀传统超螺旋算法
Fig.7㊀Traditional super-twisting
algorithm
图8㊀改进超螺旋算法
Fig.8㊀Improvement super-twisting
algorithm 图9㊀PI和ASTW空载启动直流侧电压波形图Fig.9㊀DC side voltage waveform of PI and ASTW con-trolled no-load starting
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第7期殷生晶等:基于自适应超螺旋算法的高速永磁同步发电机稳压控制策略
图10和图11分别给出了采用传统PI 控制策
略与ASTW 控制策略在突加㊁突卸负载时直流侧电压与a 相电流的仿真波形图
㊂
图10㊀基于PI 控制的仿真结果
Fig.10㊀Simulation results based on PI control
在相同工况下,采用传统PI 控制与ASTW 控制的电流内环控制参数完全一致㊂两种控制策略均采用空载启动,在0.3s 时,直流侧接入电阻负载
30Ω,相当于加载120W㊂在0.6s 时,系统又切换为空载㊂从仿真结果可以看出,当负载发生突变时,
两种控制策略均能保证系统稳定运行,直流母线电压维持在给定值(60V)㊂因此,可以验证本文所提控制策略的正确性
㊂
图11㊀基于ASTW 控制的仿真结果
Fig.11㊀Simulation results based on ASTW control
为验证滑模增益自适应调整的有效性,本文对系统的动态性能进行了仿真研究㊂图12给出了系统在运行过程中,滑模控制器增益的自适应过程㊂初始时刻系统负载启动,在1s 时突卸负载,系统空载运行,在3s 时又切换为负载运行㊂从图中可以看出,系统在稳定运行时滑模增益值维持在一个较小的稳定值,避免了系统因增益过大而导致的抖振㊂当系统受到扰动时,滑模增益随系统扰动而增大,从而抑制系统的扰动,增加系统的抗扰能力㊂仿真结果表明,滑模增益在扰动边界不确定的情况下能实现自适应调整,从而验证本文所提控制策略的有效性
㊂
图12㊀控制增益K 变化波形图
Fig.12㊀Variation waveform of control gain K
图13给出了额定转速下,采用传统PI 控制与
ASTW 控制在负载突变时直流母线电压的波形图㊂从图中可以看出,当负载发生变化时,采用PI 控制电压调整值为5%左右,恢复时间为20ms㊂而采用本文所提的ASTW 控制策略电压调整值为1.6%左右,恢复时间为12ms㊂因此,本文所提的ASTW 控制策略在动态性能㊁电压波动等方面均优于传统的PI 控制㊂相较于传统的PI 控制策略,本文所提的ASTW 控制策略具有更好的抗负载扰动的能力
㊂
图13㊀负载变化时直流侧电压对比图
Fig.13㊀Comparison diagram of DC bus voltage under
load change
3.2㊀实验验证
本文所搭建的基于TMS320F28377D 的高速永磁同步发电机整流系统实验平台如图14所示㊂其中,整流器模块采用的是Infineon 的智能整流模块(FS100R12KT4G)㊂位置传感器采用的是霍尔传感器㊂图14所示的样机由两台同轴的高速永磁电机构成,样机的一侧作为原动机,另一侧作为发电机㊂
图15为高速永磁同步发电机采用本文所提控制策略稳定运行状态下的实验波形图㊂图中波形分别为直流母线电压U dc ㊁交轴电流i q 和a 相电流i a ㊂从图中可以看出,稳定运行状态下,采用本文所提的控制策略直流电压能稳定在给定值,且控制性能较好,初步验证了本文所提算法的正确性㊂
6
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图14㊀高速永磁同步发电机整流系统实验平台Fig.14㊀Experimental platform for rectification systems
of
PMSG
图15㊀ASTW 控制稳定运行状态波形图Fig.15㊀Waveform diagram of ASTW control steady
state operation
图16为直流母线电压由20V 突增至给定电压60V 时直流母线电压波形图㊂其中图16(a)为采用传统PI 控制的实验结果,图16(b)为采用ASTW
控制的实验结果
㊂
图16㊀给定电压突变时直流母线电压波形图Fig.16㊀Waveform diagram of DC bus voltage in case
of sudden change of given voltage
由图16中直流母线电压变化情况可以看出,当给定电压发生突变时,传统PI 控制与ASTW 控制都能使直流母线电压跟随给定值,并维持在给定值㊂但采用传统PI 控制不仅超调量较大(约为15%),且到达稳定时间较长(300ms 左右)㊂而采用ASTW 控超调量非常小,且能在较短时间内(160ms 左右)到达给定值㊂上述分析结果表明,相较于传
统PI 控制,ASTW 控制具有更快的响应速度和更好的稳定性㊂
图17和图18分别给出了传统PI 控制与ASTW 控制突加负载的实验波形图㊂当系统突增负载时,通过空气开关在直流侧接入负载电阻50Ω㊂从图中可以看出,当负载突增时采用传统的PI 控制与ASTW 控制均能使直流母线电压稳定在给定值,但相较于传统的PI 控制,本文所提的控制策略在负载突增时造成的电压跌落更小,且恢复时间更短
㊂
图17㊀传统PI 控制加载实验波形图
Fig.17㊀Waveform of traditional PI control loading
experiment
图18㊀ASTW 控制加载实验波形图
Fig.18㊀Waveform diagram of ASTW controlled loading
experiment
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3第7期
殷生晶等:基于自适应超螺旋算法的高速永磁同步发电机稳压控制策略
图19和图20为突减负载时,采用传统PI 控制
与ASTW 控制的实验波形图㊂当系统突卸负载时,将空气开关断开㊂分析图19和图20可得,当负载突减时,上述两种控制策略均能保证系统稳定运行,但本文所提的控制策略控制性能更好
㊂
图19㊀传统PI 控制减载实验波形图
Fig.19㊀Waveform of traditional PI-controlled load
shedding
experiment
图20㊀ASTW 控制减载实验波形图
Fig.20㊀Waveform of ASTW controlled load shedding
experiment
为了更加直观地对实验数据进行分析,表3给出了传统PI 控制与ASTW 控制动态响应特性的比较㊂定义动态调整时间为从动态过程开始到恢复至稳定值ʃ1V 的时间㊂
表3㊀动态性能比较
Table 3㊀Comparison of dynamic performance
性能负载变化情况传统双闭环PI 控制ASTW 控制
电压调整值/V
突增负载112突减负载12.4 1.5恢复时间/ms
突增负载12420突减负载
140
24
分析表3数据可知,本文所提的ASTW 控制策略不论在动态电压调整值还是在电压恢复时间上均优于传统PI 控制㊂因此,实验结果充分验证了本文所提控制策略的有效性㊂
4㊀结㊀论
本文提出了一种基于自适应超螺旋算法的电压外环控制策略,一方面,为减小系统的抖振对超螺旋算法进行了改进;另一方面,针对扰动边界不确定与控制器增益之间的矛盾,设计了一种自适应控制律,从而避免了控制增益选择偏大的问题,减小了系统的抖振㊂通过仿真与实验得出如下结论:
1)采用连续函数对超螺旋算法进行改进,进一
步抑制了系统的抖振,自适应率的引入解决了扰动边界与控制参数矛盾的问题㊂
2)相较于传统PI 控制策略,本文所提的控制策略在负载突变时能减小电压波动,提高系统的动态响应速度和抗负载扰动的能力㊂
参考文献:
[1]㊀YANG Jiajun,GIAMPAOLO B,GU Chunyang,et al.Imped-ance-based stability analysis of permanent magnet synchronous generator for the more electric aircraft[C]//IEEE Workshop on E-lectrical Machines Design,Control and Diagnosis (WEMDCD),April 8-9,2021,Modena,Italy.2021:181-185.
[2]㊀LIU Feipeng,XU Lie,LIU Ran,et al.Impedance and stability a-nalysis of a permanent magnet synchronous generator system for more electric aircraft [C]//IEEE International Conference on E-
lectrical Systems for Aircraft,Railway,Ship Propulsion and Road Vehicles &International Transportation Electrification Conference (ESARS-ITEC ),November 7-9,2018,Nottingham,UK.
2018:1-6.
[3]㊀YANG Jiajun,YAN Hao,GU Chunyang,et al.Modeling and sta-
bility enhancement of a permanent magnet synchronous generator based DC system for more electric aircraft[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2022,69(3):2511.
[4]㊀OVACIK L,BILGIN B.Developments in voltage regulation of var-iable-speed PM synchronous alternators in automotive electric sys-tems[C]//International Conference on Applied Electronics,Sep-tember 7-8,2011,Pilsen,Czech.2011:1-6.
[5]㊀杜玉亮,郑琼林,郭希铮,等.飞轮储能系统反向制动发电问
题研究[J].电工技术学报,2013,28(7):157.
DU Yuliang,ZHENG Qionglin,GUO Xizheng,et al.Research on problem of regenerative braking process of flywheel[J].Transac-tions of China Electrotechnical Society,2013,28(7):157.[6]㊀戴兴建,姜新建,王秋楠,等.1MW /60MJ 飞轮储能系统设
计与实验研究[J].电工技术学报,2017,32(21):169.DAI Xingjian,JIANG Xinjian,WANG Qiunan,et al.The design and testing of a 1MW /60MJ flywheel energy storage power system 8
3电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀
[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2017,32
(21):169.
[7]㊀李鸿扬,温旭辉,王又珑.基于微型燃气轮机发电的混合动
力系统小信号稳定性分析及前馈补偿控制[J].电工电能新技术,2021,40(4):59.
LI Hongyang,WEN Xuhui,WANG Youlong.Small signal stabili-ty analysis of micro turbine based power generation system and feedforward compensation control[J].Advanced Technology of E-lectrical Engineering,2021,40(4):59.
[8]㊀林珍君,黄声华,万山明.一种应用于船舶轴带同步发电机
变流器系统的新型PWM整流控制策略[J].中国电机工程学报,2016,36(4):1117.
LIN Zhenjun,HUANG Shenghua,WAN Shanming.A novel PWM rectifier control strategy applied on ship shaft synchronous genera-tor converter system[J].Proceedings of the CSEE,2016,36
(4):1117.
[9]㊀FERNANDO W,BARNES M,MARJANOVIC O.Direct drive
permanent magnet generator fed AC-DC active rectification and
control for more-electric aircraft engines[J].IET Electric Power
Applications,2011,5(1):14.
[10]㊀GAO Fei,ZHENG Xiancheng,SERHIYI B,et al.Modal analy-
sis of a PMSG-based DC electrical power system in the more elec-
tric aircraft using eigenvalues sensitivity[J].IEEE Transactions
on Transportation Electrification,2017,1(1):65. [11]㊀HUANG Jian,ZHANG Zhuoran,HAN Jianbin.Stability analysis
of permanent magnet generator system with load current compen-
sating method[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2022,13
(1):58.
[12]㊀姜卫东,李王敏,佘阳阳,等.直流电容储能反馈和负载功率
前馈的PWM整流器控制策略[J].电工技术学报,2015,30
(8):151.
JIANG Weidong,LI Wangmin,SHE Yangyang,et al.Control
strategy for PWM rectifier based on feedback of the energy stored
in capacitor and load power feed-forward[J].Transactions of
China Electrotechnical Society,2015,30(8):151. [13]㊀甘志伟,缪冬敏,王云冲,等.宽转速范围永磁同步发电机
系统稳压控制及参数优化[J].电工技术学报,2020,35
(8):1624.
GAN Zhiwei,MIAO Dongmin,WANG Yunchong,et al.Voltage
stabilization control and parameters optimization for wide-speed-
range permanent magnet synchronous generator systems[J].
Transactions of China Electrotechnical Society,2020,35
(8):1624.
[14]㊀MENDOZA-MONDRAGÓN F,HERNÁNDEZ-GUZMÁN V M,
RODRÍGUEZ-RESÉNDIZ J.Robust speed control of permanent
magnet synchronous motors using two-degrees-of-freedom control
[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2018,65
(8):6099.
[15]㊀HUANG Jian,ZHANG Zhuoran,HAN Jianbin,et al.Dynamic
performance improvement for permanent magnet generator system
using current compensating method with two degrees of freedom
control[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2021,
68(4):2823.
[16]㊀BIGARELLI L,DI BENEDETTO M,LIDOZZI A,et al.PWM-
based optimal model predictive control for variable speed genera-
ting units[J].IEEE Transactions on Industry Applications,
2020,56(1):541.
[17]㊀HOU Qiankang,DING Shihong.GPIO based super-twisting slid-
ing mode control for PMSM[J].IEEE Transactions on Circuits
and Systems II:Express Briefs,2020,68(2):747. [18]㊀HOU Qiankang,DING Shihong,YU posite super-
twisting sliding mode control design for PMSM speed regulation
problem based on a novel disturbance observer[J].IEEE Trans-
actions on Energy Conversion,2020,68(2):747. [19]㊀YE Jin,YANG Xu,YE Haizhong,et al.Full discrete sliding
mode controller for three phase PWM rectifier based on load cur-
rent estimation[C]//2010IEEE Energy Conversion Congress&
Exposition,September12-16,2010,Atlanta,GA,USA.2010:
2349-2356.
[20]㊀HUANG Jian,ZHANG Zhuoran,HAN Jianbin,et al.Sliding
mode control of permanent magnet generator system based on im-
proved exponential rate reaching law[J].IET Electric Power Ap-
plications,2020,14(7):1154.
[21]㊀MUHAMMAD W A,MA Xiandong.Nonlinear super-twisting
based speed control of PMSG-ECS using higher order sliding
mode control[C]//26th International Conference on Automation
and Computing(ICAC),September2-4,2021,Portsmouth,
United Kingdom.2021:1-6.
[22]㊀PLESTAN F,SHTESSEL Y,BRÉGEAULT V,et al.New meth-
odologies for adaptive sliding mode control[J].International
Journal of Control,2010,83(9):1907.
[23]㊀SHTESSEL Y,TALEB M,PLESTAN F.A novel adaptive-gain
super-twisting sliding mode controller:Methodology and applica-
tion[J].Automatica,2012,48(5):759.
[24]㊀CHALANGA A,KAMAL S,FRIDMAN L M,et al.Implemen-
tation of super-twisting control:super-twisting and higher order
sliding-mode observer-based approaches[J].IEEE Transactions
on Industrial Electronics,2016,63(6):3677. [25]㊀LEVANT A.Principles of2-sliding mode design[J].Automati-
ca,2007,43(4):576.
(编辑:邱赫男)
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第7期殷生晶等:基于自适应超螺旋算法的高速永磁同步发电机稳压控制策略。