双馈感应电机能量成形控制与应用毕业答辩

研 究 生：张立嘉指导老师：于海生教授,青岛大学硕士毕业论文答辩,双馈感应电机能量成形控制与应用,双馈感应电机数学模型,1,2,4,5,汇报提纲,3,双馈感应电机传动系统的状态误差PCH控制,双馈感应电机传动系统的状态PCH控制,PCH控制策略与矢量控制策略的对比,6,背景和意义,结论和展望,一、选题背景和意义,对于泵类、风机负载，一般采用双馈电机调速系统。该系统转子侧 通过背靠背变换器连接电网，定子侧直接与电网相连。采用双馈电机调速系统时，变换器容量会大大降低，成本也会降低。变换器容量的减少意味着对电网的谐波污染也会减小。数据显示，我国可利用的风力发电达到2.5亿千瓦，这类能源洁净无害，应用前景广阔。风力发电系统中采用双馈发电机替代同步发电机或异步发电机，可以做到变速恒频发电，并且具有很大的调速范围。电力工业中，双馈发电机可以吸收和发出大量的无功功率，提高电力系统运行稳定性，提高系统的效率。双馈发电机转速发生变化时，输出电压和频率可保持不变，所以在风能发电、余热发电、潮汐发电中有很好的优势。,一、选题背景和意义,图 1变速恒频风力发电系统（双馈感应发电机）,二、 双馈感应电机数学模型,端口受控哈密顿（PCH）系统对于非线性系统若将耗散的端口受控哈密顿（PCH）系统方法用于以上非线性系统描述，则有 其中，R为半正定对称矩阵，它反映了 端口上的附加阻性结构；J为反对称矩阵，它反映了系统内部的互联结构； H为哈密顿函数，它定义了系统存储的能量。,（1）,（2）,二、 双馈感应电机数学模型,1、双馈感应电机的数学模型（1）DFIM在三相静止abc坐标系下的数学模型电压方程磁链方程 运动方程 转矩方程 （2）DFIM在两相dq同步旋转坐标系下的数学模型,（3）,（4）,（5）,（6）,（7）,二、 双馈感应电机数学模型,（3）双馈感应电机的PCH模型定义系统的状态变量、输入向量和输出向量 ，则其中 取系统哈密顿函数为电磁能和机械动能总和，即 电机的PCH模型为,（8）,（9）,三、 DFIM传动系统的状态误差PCH控制,1、状态误差PCH控制 定理1 对于PCH系统 ，给定期望的平衡点 ，定义误差 。 如果选取期望闭环哈密顿函数满足 且 ，若能配置 、 满足条件 并通过反馈控制 (12)使系统成为闭环状态误差PCH系统 (13) 则系统是渐近稳定的。,（10）,（11）,三、 DFIM传动系统的状态误差PCH控制,定理2 对于PCH系统，可以定义状态误差 ，配置 ， 满足(10)和(11)，若有 ， 则有 ， 如果存在反馈控制满足则系统(2)就一定可以转换成(13)所示的闭环状态误差PCH系统形式。,三、 DFIM传动系统的状态误差PCH控制,2、 采用基于状态误差PCH控制方法求取的控制器（1）负载转矩已知 （2）负载转矩未知 在负载转矩未知情况下，采用负载转矩观测器来观测负载转矩， 得到观测器为,（14）,（15）,三、 DFIM传动系统的状态误差PCH控制,3、 状态误差PCH控制方法系统仿图（1）负载转矩已知情况下的系统仿真,图2 负载转矩已知时的系统仿真图,三、 DFIM传动系统的状态误差PCH控制,图3 转速响应曲线,图4 转速跟踪响应曲线,图5加入积分作用后的转速曲线,图6 加入负载扰动后的转速响应曲线,三、 DFIM传动系统的状态误差PCH控制,图7 图6的局部放大图,图8 有积分作用加负载扰动转速曲线,图9 上图的局部放大图,图10 存在扰动时转速曲线,三、 DFIM传动系统的状态误差PCH控制,图11 存在扰动时的转速曲线,图12 转子A相输入电压,三、 DFIM传动系统的状态误差PCH控制,（2）负载转矩未知情况下的系统仿真,图13 负载转矩未知时的系统仿真图,三、 DFIM传动系统的状态误差PCH控制,图14有负载转矩观测器的速度曲线,图15负载转矩观测响应曲线,图16 存在扰动时转速曲线,图17 存在扰动时转速曲线,四、 DFIM传动系统的状态PCH控制,1. PCH控制原理,假定系统 （2） 期望的平衡点 ，为了使系统在 保持渐近稳定，构造一个期望的闭环哈密顿函数 ，且在平衡点 处有 ，对于邻域内的任意 ，均有 ， 通过对 、 进行合理配置使其满足并经反馈控制使系统(2)成为闭环耗散PCH系统 则系统(2)是稳定的。,（16）,（17）,（18）,四、 DFIM传动系统的状态PCH控制,进一步分析，若闭环系统(18)包含在集合中的最大不变集等于 ，由LaSalle不变集原理可知系统在平衡点处是渐近稳定的。,反馈控制,可根据下式求得,(19),(20),四、 DFIM传动系统的状态PCH控制,2、 状态PCH控制方法求取控制器（1）负载转矩已知时（2）负载转矩未知时 在负载转矩未知情况下，采用负载转矩观测器来观测负载转矩， 得到观测器为,（21）,（1）负载转矩已知时的仿真图,图18 负载转矩恒定已知时转速曲线,图19负载转矩恒定已知时速度跟踪曲线,图20 负载转矩恒定已知时电流曲线,图21 负载转矩恒定已知时电压曲线,图22 存在负载扰动时的转速曲线,图23 电磁转矩曲线,（2）负载转矩未知时的仿真图,图24 转速响应曲线,图25 加负载扰动时转速响应曲线,图26 转速跟踪曲线,图27负载转矩观测响应曲线,四、 DFIM传动系统的状态PCH控制,五、 PCH控制策略与矢量控制策略的对比,为了进一步对能量控制策略在双馈电机传动系统的控制效果进行评估，我们把能量控制策略与矢量控制策略进行对比。矢量控制策略在目前的工业领域中应用非常广泛，这种控制是将通过负反馈得到的参考输入与系统的实际输出对比得到一个偏差信号，把这个偏差信号作为控制器的输入，而此偏差信号的比例与积分的线性组合作为控制器的输出。,五、 PCH控制策略与矢量控制策略的对比,图28 双馈感应电动机矢量控制框图,五、 PCH控制策略与矢量控制策略的对比,图29 双馈感应电机矢量控制仿真模型,五、 PCH控制策略与矢量控制策略的对比,图30 转速跟踪响应曲线,图31系统无扰动时的输出电磁转矩曲线,图32 负载存在扰动时的转速响应曲线,图33 转速响应曲线局部放大图,五、 PCH控制策略与矢量控制策略的对比,图34 存在扰动时的转速响应曲线,图35 存在扰动时的转速响应曲线,五、 PCH控制策略与矢量控制策略的对比,PI控制器具有的优势有：系统输出与参考输入之间的偏差信号较容易获得；基于误差的反馈控制策略实现起来比较容易；构成的闭环反馈控制具有鲁棒性。但是对于双馈感应电机传动系统，这种控制方法具有一下局限性：（1）双馈感应电机传动系统属于多变量、强耦合的系统，控制中会存在多个相互作用、相互耦合的变量，某一个变量的改变同时会起多个被控变量的改变，某个性能的改善有可能会引起别的性能的恶化，所以应用PI控制会难以实现鲁棒性和控制性能的合理权衡。（2）双馈感应电机传动系统属于强非线性系统，而且需要较宽的工作范围。但是PI控制是基于某一个工况点附近线性化模型而设计的控制器，对于非线性项的简化会使得系统在偏离线性化点的时候，容易出现超调和振荡现象，甚至导致系统的不稳定。,六、结论与展望,结论 （1）针对双馈感应电动机传动系统，引入了能量的观点。基于能量成形与端口受控哈密顿原理，采用PCH控制与状态误差PCH控制，设计了相应控制器，达到了相应的控制目标。 （2）通过建立系统仿真模型，完成仿真实验得到系统动静态性能优越，从而证明所设计控制器的正确性，结构简单性、计算量小、便于控制的特点，并且能够较好的转速跟踪特性与抗负载干扰能力 。 （3）该方法为整个系统的非线性控制与应用提供了新的方法与途径，具有重要的意义。展望 （1）本文只研究了机侧的调速系统，下一步研究工作可以建立背靠背系统（back-to-back），将网侧和机侧连接起来，形成一个基于