船舶雙饋軸帶發(fā)電機(jī)的線性自抗擾并車控制

刁 亮，王 丹，彭周華，郭 磊

(大連海事大學(xué)，大連 116026)

船舶雙饋軸帶發(fā)電機(jī)的線性自抗擾并車控制

刁 亮，王 丹，彭周華，郭 磊

(大連海事大學(xué)，大連 116026)

在分析了船舶雙饋軸帶發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之后，建立了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙饋軸帶發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，提出了一種線性自抗擾并車控制方法。采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對轉(zhuǎn)子電流狀態(tài)方程中的不確定項(xiàng)進(jìn)行觀測并加以補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的跟蹤性能。為了實(shí)現(xiàn)無沖擊并車，根據(jù)自抗擾控制的計(jì)算原理，設(shè)計(jì)了無擾切換的具體實(shí)施方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與PI控制相比，該控制方法超調(diào)量小，響應(yīng)速度快，抗擾能力強(qiáng)，更適合應(yīng)用在對可靠性要求較高的船舶領(lǐng)域。

船舶雙饋軸帶發(fā)電機(jī)；線性自抗擾；并車；無擾切換

0 引 言

軸帶發(fā)電機(jī)是由主機(jī)驅(qū)動的發(fā)電裝置，一般船舶在選擇主機(jī)時(shí)，會有10%～15%的功率儲備裕量。對于貨船，其電站功率一般為主機(jī)額定功率的5%左右，因此使用軸帶發(fā)電機(jī)完全能滿足船舶正常航行的電力需要。為了充分利用船舶主機(jī)的功率儲備裕量，達(dá)到節(jié)能減排的目的，軸帶發(fā)電機(jī)已經(jīng)在遠(yuǎn)洋船舶上得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

船舶雙饋軸帶發(fā)電機(jī)作為一種適用于定螺距螺旋槳船舶的新型軸帶發(fā)電機(jī)，因其不需要同步調(diào)相機(jī)，所需變換器容量小，成本低等優(yōu)點(diǎn)，在近年來逐漸受到研究人員們的重視[2-3]。為了保證船舶電站的安全運(yùn)行，只有滿足并車要求時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)才能與柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行并車，繼而為全船供電。目前，雙饋發(fā)電機(jī)的柔性并網(wǎng)控制方法仍以雙電流閉環(huán)PI控制為主[4-5]。然而傳統(tǒng)的PI控制器動態(tài)性能差，對于模型參數(shù)變化大、有外部擾動的系統(tǒng)，難以達(dá)到理想的控制效果。

自抗擾控制技術(shù)是由中國科學(xué)院韓京清研究員在20世紀(jì)90年代提出的一種新型非線性控制方法，主要由跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和非線性反饋三部分組成，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、抗擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[6-8]。然而由于非線性自抗擾控制器包含非線性函數(shù)，且需要調(diào)節(jié)的參數(shù)多，使其不便于工程實(shí)踐。針對上述問題，高志強(qiáng)等[9-10]提出了線性自抗擾控制器，并將控制器帶寬和觀測器帶寬作為控制性能的調(diào)試參數(shù)。文獻(xiàn)[11-13]對變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的自抗擾并網(wǎng)控制技術(shù)進(jìn)行了研究，但都沒有給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且沒有考慮無擾切換問題。本文通過分析雙饋軸帶發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合自抗擾控制的計(jì)算原理，提出了一種帶有無擾切換功能的線性自抗擾并車控制方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制方法和有效性和可行性。

1 雙饋軸帶發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

雙饋軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過升速變速箱與主機(jī)軸相連，在主機(jī)驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。船舶電網(wǎng)通過一個背靠背變換器為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，網(wǎng)側(cè)變換器實(shí)際上是一個電壓型PWM整流器，其作用是在單位功率因數(shù)運(yùn)行的前提下，調(diào)節(jié)中間直流母線電壓，其控制方法在這里不做敘述，可參見文獻(xiàn)[14]。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的任務(wù)是控制轉(zhuǎn)子勵磁電流，使發(fā)電機(jī)定子電壓實(shí)時(shí)跟隨船舶電網(wǎng)電壓，達(dá)到并車要求。

圖1 船舶雙饋軸帶發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

雙饋軸帶發(fā)電機(jī)定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)均采用電動機(jī)慣例。在同步旋轉(zhuǎn)d-q軸坐標(biāo)系下，雙饋軸帶發(fā)電機(jī)并車后的電壓和磁鏈方程[2,5]：

式中:u,i,Ψ分別表示電壓、電流、磁鏈；下標(biāo)sd,sq,rd,rq分別表示定、轉(zhuǎn)子d,q軸分量；Rs,Rr分別表示定、轉(zhuǎn)子電阻；Ls,Lr分別表示定、轉(zhuǎn)子自感；Lm表示定、轉(zhuǎn)子間互感；ω1表示同步電角速度,ωs表示轉(zhuǎn)差電角速度。

雙饋軸帶發(fā)電機(jī)并車前，定子電流為零，即isd=isq=0，此時(shí)雙饋軸帶發(fā)電機(jī)的電壓和磁鏈方程可簡化：

選定船舶電網(wǎng)電壓矢量方向?yàn)橥叫D(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸方向并且忽略定子電阻Rs的影響,穩(wěn)態(tài)情況下為了使發(fā)電機(jī)定子電壓實(shí)時(shí)跟蹤船舶電網(wǎng)電壓，雙饋發(fā)電機(jī)并車前轉(zhuǎn)子d,q軸電流給定值：

式中:Ug表示船舶電網(wǎng)電壓矢量的幅值。

2 線性自抗擾控制器設(shè)計(jì)

式(6)、式(7)中的電流狀態(tài)方程可以統(tǒng)一抽象：

式中:y,u分別表示系統(tǒng)輸出和輸入；x表示系統(tǒng)狀態(tài)變量；b表示控制輸入系數(shù)；f(·)表示系統(tǒng)不確定項(xiàng)。

由于控制對象是一階系統(tǒng)，線性自抗擾控制器中的跟蹤微分器可以省掉，反饋律采用誤差比例反饋即可達(dá)到比較理想的控制效果，于是可設(shè)計(jì)如下形式的線性自抗擾控制器：

式中:z1,z2表示擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的狀態(tài)變量，分別用于跟蹤對象的狀態(tài)x和f(·)+(b-bo)u；bo表示對b的估測值；β1,β2表示擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的增益；kp表示反饋比例增益；y*表示參考值。

線性自抗擾控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，采用文獻(xiàn)[9]中的方法選取控制器參數(shù)，即：

式中:ω0表示擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的帶寬，其值越大，觀測值越準(zhǔn)確，然而過大的觀測器帶寬會使觀測器對噪聲敏感；ωc表示控制器的帶寬，其值越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，而過大的控制器帶寬又會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常取ω0=3ωc～5ωc?？梢?，最后需要調(diào)節(jié)的參數(shù)只有ω0一個。

圖2 線性自抗擾控制器結(jié)構(gòu)框圖

進(jìn)一步，可得：

圖3 船舶雙饋軸帶發(fā)電機(jī)的線性自抗擾并車控制系統(tǒng)框圖

3 仿真和實(shí)驗(yàn)研究

(a)轉(zhuǎn)子d軸電流(b)轉(zhuǎn)子q軸電流

(c) 定子A相電流

考慮到船舶航行中，主機(jī)轉(zhuǎn)速會受水流的影響，假設(shè)雙饋軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律如圖5(a)所示。在1 s時(shí)并車，與傳統(tǒng)PI控制進(jìn)行仿真對比，仿真結(jié)果如圖5(b)～圖5(d)所示。圖5(b)、圖5(c)分別為轉(zhuǎn)子d,q軸電流，圖5(d)為定子A相電流。

由圖5(b)～圖5(d)可知，PI控制的轉(zhuǎn)子電流在并車時(shí)會產(chǎn)生較大的波動，定子A相電流幅值約為2.5 A，而帶有無擾切換的線性自抗擾控制在并車時(shí)轉(zhuǎn)子電流的波動較小，定子A相電流幅值在0.5 A之內(nèi)。此外，在系統(tǒng)初始階段，帶無擾切換的線性自抗擾控制具有更小的超調(diào)和更快的響應(yīng)速度。

(a)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(b)轉(zhuǎn)子d軸電流(c)轉(zhuǎn)子q軸電流(d)定子A相電流

圖5 轉(zhuǎn)速變化并車仿真波形

根據(jù)上述仿真模型，本文搭建了如圖6所示的船舶雙饋軸帶發(fā)電系統(tǒng)原理樣機(jī)，并與船舶電站物理仿真平臺進(jìn)行了模擬并車實(shí)驗(yàn)。雙饋軸帶發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)分別由2臺異步電動機(jī)驅(qū)動，首先起動同步發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)勵磁電流和轉(zhuǎn)速，為負(fù)載提供恒壓恒頻的電能。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺

待模擬的船舶電網(wǎng)穩(wěn)定后，起動雙饋軸帶發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 380 r/min，圖7(a)是帶無擾切換的線性自抗擾控制并車前電壓波形，點(diǎn)狀線為船舶電網(wǎng)A相電壓，實(shí)線為雙饋軸帶發(fā)電機(jī)定子A相電壓?？梢?，兩者頻率、幅值、相位基本一致，符合并車條件。將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由1 380 r/min降至1 280 r/min，且在此降速過程中進(jìn)行并車，圖7(b)、圖7(c)分別為帶無擾切換的線性自抗擾控制和傳統(tǒng)PI控制的定子A相電流波形?？梢钥闯觯罢卟④嚊_擊電流明顯小于后者，從而驗(yàn)證了上述理論分析的正確性。

(a)電壓波形(b)帶無擾切換的線性自抗擾控制

(c) 傳統(tǒng)PI控制

4 結(jié) 語

針對船舶雙饋軸帶發(fā)電機(jī)這種適用于定螺距螺旋槳船舶的新型軸帶發(fā)電機(jī)，通過分析并車前后發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的區(qū)別，提出了一種帶有無擾切換功能的線性自抗擾并車控制方法。該方法只需要調(diào)節(jié)一個參數(shù)，且有明確的物理意義，十分便于工程實(shí)踐。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，該控制方法優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制，在一定程度上提高了船舶電站的可靠性。

[1] 許順隆,陳景鋒,吳德烽.基于無刷雙饋發(fā)電機(jī)的船舶新型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)[J].中國航海,2013,36(4):64-67.

[2] PENG Ling,LI Yongdong,CHAI Jianyun,et al.Vector control of a doubly fed induction generator for stand-alone ship shaft generator systems[C]//International Conference on Electrical Machine and Systems,2007:1033-1036.

[3] 馮玉龍,艾鋼.船舶軸帶雙饋發(fā)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行特性仿真研究[J].船電技術(shù),2014,34(4):32-36.

[4] 吳國祥,馬祎煒,陳國呈,等.雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電空載并網(wǎng)控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(7):169-175.

[5] 陳煒,肖丹,王慧敏,等.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)空載并網(wǎng)模糊PI控制[J].太陽能學(xué)報(bào),2009,30(6):794-798.

[6] 韓京清.自抗擾控制技術(shù)─估計(jì)補(bǔ)償不確定因素的控制技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[7] 韓京清.自抗擾控制器及其應(yīng)用[J].控制與決策,1998,13(1):19-23.

[8] 韓京清.從PID技術(shù)到“自抗擾控制”技術(shù)[J].控制工程,2002,9(3):13-18.

[9] GAO Z.Scaling and bandwidth-parameterization based controller tuning[C]//Proceedings of American Control Conference,2003,6:4989-4996.

[10] ZHENG Q,CHEN Z,GAO Z.A practical approach to disturbance decoupling control[J].Control Engineering Practice,2009:17(9):1016-1025.

[11] 付旺保,趙棟利,潘磊,等.基于自抗擾控制器的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(3):13-18.

[12] 黃磊.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)自抗擾控制技術(shù)研究[D].青島:中國石油大學(xué),2008.

[13] 張金芳,姚恩利,形晉超.基于LADRC的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組空載勵磁控制研究[C]//25th Chinese Control and Decision Conference,2013:4070-4075.

[14] PENA R,CLARE J C,ASHER G M.Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation[J].IEE Proceedings Electric Power Applications,1996,143(3):231-241.

[15] 張玉瓊,姚亞麗,李東海,等.一種具有無擾切換功能的位置型自抗擾控制器數(shù)字實(shí)現(xiàn)[C]//Proceedings of the 33rd Chinese Control Conference,2014:3680-3684.

Synchronization of Ship Shaft DFIG Based on Linear Active Disturbance Rejection Control

DIAOLiang,WANGDan,PENGZhou-hua,GUOLei

(Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)

By analyzing the structural characteristic of ship shaft doubly fed induction generator (DFIG) system, the mathematical mode of ship shaft DFIG was built in the synchronous rotating frame. A synchronization control strategy was proposed based on linear active disturbance rejection control (LADRC). Extended state observer (ESO) was used to observe and compensate the unknown items in the rotor current state equations, which improves the system tracking performance. Based on the principle of LADRC algorithm, the specific implementation method of bumpless switching was designed for the successful synchronization. Simulation and experiment results show that, compare with PI control, the proposed control method has smaller overshoot, faster response speed and stronger anti-disturbance capacity. It is suitable for the requirement of high reliability in the ship field.

ship shaft double fed induction generator； linear active disturbance rejection control； synchronization bumpless switching

2015-03-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61273137,51209026)；遼寧省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(L2013202);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(3132015021,3132014321)

TM34;U665.11

A

1004-7018(2017)02-0083-04

刁亮(1988-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)榇半娏﹄娮蛹夹g(shù)與控制。