一种波浪发电机的直接推力容错控制方法与流程

本发明涉及一种波浪发电机的直接推力容错控制方法,属于电力系统电机控制领域。

背景技术：

波浪能是一种丰富、清洁的海洋可再生能源，具有预测性强、短期变化小的优点。近年来，它引起了国内外学者的广泛关注。中国海岸线长达18000多公里，岛屿海岸线长达14000多公里。据估计，我国海浪能年发电量约为1.3×107kw。在早期的波浪能转换系统中，一般采用旋转电机发电。但旋转电机发电效率低、结构复杂、维护困难。直驱式波浪发电系统(direct-drivewaveenergyconversion，ddwec)采用永磁直线电机(permanentmagnetlineargenerator，pmlg)发电，直接将波浪能转化为电能，具有效率高、结构简单、维护方便等特点。它被认为是目前最可行的波浪能转换方法，具有广阔的发展前景。近年来，直驱式波浪发电系统越来越受到世界各国科学家和学者的关注。

永磁直线电机广泛应用于直驱式波浪发电系统中。传统的旋转电机的电机转子在一个方向上以稳定的速度和频率旋转，而pmlg的动子则在波浪驱动下在竖直方向振动，电机的转速和频率不断变化，直驱式波浪发电系统的瞬时输出功率波动很大。直驱式波浪发电系统位于海平面以下，维护不方便，因此有必要研究提高直驱式波浪发电系统可靠性的方法。

在波浪发电场合，即使电机发生故障，电机必须仍然能够高性能持续运行，因此在波浪发电中发电机的容错能力直接决定了波浪发电系统的可靠性。在所有电机故障类型中，开路故障最为典型。如果在电机发生开路故障时，不及时加入合适的容错控制算法，会极大地降低电机运行性能，甚至造成电机不可恢复的损坏。

矢量控制策略具有优良的稳态和动态性能，其与容错控制策略相结合，有效地改进了电机故障状态下的性能。与矢量控制相比，直接转矩控制(directtorquecontrol，dtc)具有较低的参数敏感度、较好的转矩动态性能等优点，因此基于dtc的容错控制研究得到了广泛关注。

技术实现要素：

对于用于波浪发电的五相永磁直线发电机，本发明提供一种波浪发电机的直接推力容错控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种波浪发电机的直接推力容错控制方法，所述波浪发电机为用于直驱式波浪发电的五相永磁直线发电机。

该控制方法包括如下步骤：

(1)正常运行时，机侧整流电路采用零d轴电流控制策略，通过控制q轴电流，控制发电机电磁推力，并进而控制发电机输出功率；

(2)单相开路故障时，五相永磁直线发电机采用直接推力容错控制方法，确保电机开路故障后拥有与正常运行时相同的稳态性能，具体为：

(2.1)通过降阶正交变换矩阵将非故障相电流变换到αβ和x坐标系中，得到定子电流在αβ坐标系中的分量iα、iβ及定子电流在x坐标系中的电流ixx，其中，a＝0.4π；

(2.2)通过基于电流模型的磁链观测器估算出αβ坐标系中的虚拟定子磁链，得到pmlg开路故障情况下的电机推力其中，ψxs为虚拟定子磁链幅值，ψxα、ψxβ为虚拟定子磁链在αβ坐标系上的分量，θxs为虚拟定子磁链矢量与α轴夹角，ls为定子电感，ψf为永磁磁链幅值；

(2.3)采用电流控制器将ixx控制为0，则电机推力视为由虚拟定子磁链矢量与永磁磁链矢量相互作用产生的，对fe电机推力求导得到电机推力增量电机推力增量经pi控制器得到推力增量角δδ；

(2.4)构建电压矢量预测器得到虚拟电压在αβ坐标系中的分量；

(2.5)通过降阶正交变换逆矩阵将和变换到自然坐标系得到非故障相电压，采用载波脉宽调制技术，确保电机开路故障后拥有与正常运行时相同的稳态性能；

其中，为(2.3)中电流控制器输出的目标电压，v表示电机运行速度，θ为动子位置电角度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明方法针对用于直驱式波浪发电的五相永磁直线发电机，提出了一种五相永磁直线发电机容错控制方法，相较于三相永磁直线发电机，五相电机电磁推力波动小，容错能力强，控制自由度高。对于波浪发电应用场合，五相发电机可靠性更高，提高了整个波浪发电系统的性能；

(2)本发明方法定义了虚拟定子磁链，实现故障前后不变的定子磁链与电流轨迹圆以及恒定的行波磁动势，以满足直接推力容错控制(fault-tolerantdirectthrustforcecontrol，ft-dtfc)的要求；在此基础上推导前馈补偿电压，并结合降阶正交变换矩阵，消除单相开路故障导致电机数学模型的不对称性，且有效抑制三维空间电流。在此基础上，构建开路故障下的磁链和推力观测器以及电压矢量预测器，且采用载波脉宽调制技术实现五相pmlg单相开路故障情况下的直接推力控制。

附图说明

图1是用于直驱式波浪发电的五相永磁直线发电机直接推力容错控制方法框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

五相pmlg数学模型：

本发明采用20槽/18级的五相pmlg。在αβ两相静止坐标系中建立五相pmlg的数学模型：

式中：r为定子电阻；ψf为永磁磁链幅值；θ为动子位置电角度；ls为定子电感；uα、uβ、ψα、ψβ、iα、iβ分别为定子电压、磁链和电流在αβ坐标系中的分量。

pmlg推力可表示为：

式中：fe、τ分别为五相pmlg的输出推力和极距。

单相开路故障下的容错控制方法：

上面已经介绍了五相pmlg的数学模型，假设电机a相发生开路故障，基于故障前后行波磁动势相等和剩余非故障相电流幅值相等的原则优化剩余非故障相电流(同理，b相故障时，剩余非故障相顺序为cdea；c相故障时，剩余非故障相顺序为deab；且公式(4)和公式(5)不变)。在此基础上，推导出将自然坐标系中的优化前的非故障相电流变换到αβ和x坐标系(αβ和x垂直，x坐标系中的变量不参与能量转换)中变量的降阶正交变换矩阵及其逆矩阵为：

式中，a＝0.4π。

由于相间电磁耦合可以忽略，a相发生开路故障后，剩余非故障相的定子磁链可表示为：

式中，ψb、ψc、ψd、ψe、ib、ic、id、ie分别为定子相磁链和相电流。

采用tpost将式(6)变换到αβ坐标系中，得到：

根据式(7)可知，定子磁链在αβ坐标系中分量的第2部分的常系数不相等。如果保持a相故障前后相同的电流轨迹圆，即保持a相故障前后的电流iα、iβ幅值相等且正弦，则ψα、ψβ幅值不再相等，同时αβ坐标系中的磁链轨迹不是圆形，这不符合dtfc的要求：磁链与电流矢量轨迹均为圆形。另外，由式(3)可知，这必将导致较大的电机推力脉动。

比较式(2)和(7)，定义αβ坐标系中的虚拟定子磁链如式(8)所示。ψxs为虚拟定子磁链幅值，ψxα、ψxβ为虚拟定子磁链在αβ坐标系上的分量，θxs为虚拟定子磁链矢量与α轴夹角。当虚拟定子磁链矢量在αβ平面中的轨迹为圆形时，定子电流矢量在αβ平面中的轨迹也为圆形且与正常情况下相同。

由此，虚拟定子磁链与实际定子磁链在αβ坐标系中的关系可表示为：

根据式(1)和(8)，定义五相pmlm开路故障情况下在αβ坐标系中的虚拟电压数学模型为：

式中，uxα、uxβ为虚拟电压ux在αβ坐标系上的分量。

将式(9)和(10)代入式(1)，得αβ坐标系中的虚拟电压及补偿电压为：

其中，v表示电机运行速度，单位为m/s；ucmpα、ucmpβ分别为补偿电压ucmp在在αβ坐标系上的分量。

因此，当a相发生开路故障后，采用式(12)的前馈补偿电压，能够保证故障pmlg在αβ坐标系中具有圆形定子磁链和电流轨迹，进而消除故障情况下不对称模型对直接推力控制(directthrustforcecontrol，dtfc)性能的影响，最终实现pmlg一相开路故障后的dtfc无扰运行。

根据磁共能法和式(4)-(8)推导出pmlg开路故障情况下的推力为：

式中ixx为定子电流在x坐标系中的电流。由式(8)和(13)可知，在虚拟定子磁链轨迹控制为圆形的情况下，定子电流在αβ平面上的轨迹也为圆形，此时式(13)等式右边的第1项的值恒定。尽管第2项包含ixx和动子位置，但是只需采用电流控制器将ixx控制为0就能使该项为零，进而抑制由此导致的推力脉动。设该电流控制器输出的目标电压为

直接推力容错控制(fault-tolerantdirectthrustforcecontrol，ft-dtfc)策略：

由于ixx被控制为0，式(13)等式右边第2项为零。由此结合式(8)和(13)，电机推力可看成是由虚拟定子磁链矢量与永磁磁链矢量相互作用产生的，对该推力求导得到电机推力增量为：

式中：δ为推力角，即虚拟定子磁链矢量与永磁磁链矢量的夹角；δδ为推力增量角。由于永磁磁链幅值恒定，当虚拟定子磁链矢量的幅值恒定时，仅需通过控制虚拟定子磁链矢量的旋转速度及方向就能控制推力角增减，进而控制电机推力增减。

当a相发生开路故障后，tpost将剩余非故障相电流变换到αβ和x坐标系中，得到iα、iβ及ixx。根据式(8)构建基于电流模型的磁链观测器，估算出αβ坐标系中的虚拟定子磁链；根据式(13)估测电机推力。电机推力误差(即电机推力增量)经pi控制器得到推力增量角。根据式(10)和(15)，构建电压矢量预测器，虚拟电压ux的预测值在αβ坐标系中的分量可表示为：

虚拟电压ux的预测值为αβ坐标系中，实际定子电压uα的预测值为实际定子电压uβ的预测值为αβ坐标系中，虚拟电压uxα的预测值为虚拟电压uxβ的预测值为为虚拟定子磁链的预测值，ψxα、ψxβ为虚拟定子磁链在αβ坐标系上的分量。θxs为虚拟定子磁链矢量与α轴夹角。δδ为推力增量角。r为定子电阻。iα、iβ分别为定子电流在αβ坐标系中的分量。ts为采样周期。

根据式(11)，αβ坐标系中实际定子电压的预测值为：

其中，实际定子电压uα的预测值为实际定子电压uβ的预测值为

采用式(5)将αβ坐标系和x坐标系中的定子电压变换到自然坐标系，得到：

采用载波脉宽调制(carrier-basedpulsewidthmodulation，cbpwm)技术，确保电机开路故障后拥有与正常运行时相同的稳态性能，实现五相pmlg单相开路故障情况下的直接推力控制。

本发明所提出的五相永磁直线发电机直接推力容错控制框图如图1所示。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。