海流发电机自抗扰无速度传感器控制系统及其控制方法

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种海流发电机自抗扰无速度传感器控制系统及其控制方法。

背景技术：

在过去二十年里，随着人类对能源需求的快速增长以及对石油、煤炭、天然气等传统能源的大量使用，世界陷入了能源危机和环境危机。因此可再生能源和清洁能源受到各国的广泛关注，其中，海流能源因为其能量密度高、可预测性强、易获得等优点而受到全球关注。对于海流能源，全球每年的电势为800twh，相当于整个电力消耗的5％左右，而我国有18000km的海岸线，360多万的平方公里的辽阔海域，其海流能资源蕴藏丰富。

但是，与常规的陆上发电系统相比，海流发电系统长期工作于水下环境，水下环境情况的复杂多变给海流发电系统带来很大的扰动；同时，许多海流发电装置安装在水下，海洋生物的生长、污染物的附着、海水对装置的腐蚀等极易引起海流发电装置发生故障，造成经济损失。高精度传感器是传统海流发电系统控制过程中不可缺少的装置，但考虑到传感器在水下安装困难且易于损坏发生系统故障，因此研究海流发电系统的无速度传感器控制技术尤为重要。

基于海流发电系统的工作环境的特点，采用基于滑模观测器的无速度传感器控制策略，因为这一方法对系统的外部干扰和系统参数的变化不敏感，具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。但是，传统的滑模观测器的不足之处是存在明显的抖振和时间延迟现象。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种海流发电机自抗扰无速度传感器控制系统及其控制方法，以解决如何降低抖振、消除时间延迟和提升系统的抗干扰能力的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

提供一种海流发电机自抗扰无速度传感器控制系统，包括：海流发电机；滑模观测器，与所述海流发电机电压和电流信号连接，从中观测出所述海流发电机的转子位置和转速信息；自抗扰控制器，与滑模观测器信号连接，接收所述滑模观测器观测出的转速信息，对扰动信息进行估计和补偿；换流器，与海流发电机连接，所述自抗扰控制器输出控制量通过电流环控制生成svpwm信号控制所述换流器开关的通断。

本发明还提供一种海流发电机自抗扰无速度传感器控制方法，包括：将采集到的三相电流信号和电压信号经过clark坐标变换得到静止参考坐标系下的两相定子电流和定子电压，经过滑模观测器观测扩展反电动势，所述反电动势中包含电机的转子位置信息和转子速度信息，扩展反电动势经过锁相环pll估算出电机的转子位置估计值和转子速度估计值；针对估算出的电机的转子位置估计值存在的时间延迟现象，采用史密斯预估器的方法对其进行时间延迟补偿；对所估算的电机的转子速度估计值与给定的参考速度进行比较做差形成误差量，所得误差量经过自抗扰控制器进行调节，形成速度环的控制；通过电流环pi控制器计算出同步旋转坐标系下的电压分量，通过反park变换矩阵对其进行坐标变换得到静止坐标系下的电压分量，经过空间矢量脉宽调制svpwm，输入给换流器控制其开关器件的通和断。

进一步地，扩展反电动势eα和eβ表示为：

其中，θe为转子位置信息；

滑模观测器为其中，为定子电流估计；

定子电流的误差方程为：其中，

滑模控制率为：其中，

反电动势估计为：

由所估算出的反电动势经过锁相环提取转子的信息，有如下关系式：

其中，当近似有根据θe＝∫ω估算出转子的位置信息

进一步地，使用史密斯预估器对延迟进行补偿，有：

其中，

进一步地，自抗扰控制器中的扩张观测器设计为：其中，z1趋近于ω，z2趋近于a(t)，fal(e,α,δ)表示非线性最优控制函数，α取0～1之间的常数，δ为大于零的常数，其非线性反馈控制率被构建为：其中，ω^*为期望转子速度，kp为比例增益，z02/b0为系统扰动的补偿。

本发明提供的海流发电机自抗扰无速度传感器控制系统，其中的延迟补偿型滑模观测器，在保持系统整体稳定性和性能的同时减少系统的时间延迟。自抗扰控制器能够实时准确地估计系统的总扰动并对其进行完全补偿，自抗扰控制器与滑模观测器的综合使用可以有效解决抖振问题和提升系统抗干扰能力，使用基于史密斯预估器的延迟补偿型滑模观测器，在保持系统整体稳定性和性能的同时减少系统的时间延迟。

本发明提供的海流发电机自抗扰无速度传感器控制方法，对滑模观测器中的开关函数进行改进，采用饱和函数代替符号函数来降低因符号函数在临界点处的高频切换而产生的高频抖振。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1为本发明实施例提供的海流发电机自抗扰无速度传感器控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的海流发电机自抗扰无速度传感器控制方法步骤流程示意图；

图3为本发明实施例提供的海流发电机自抗扰无速度传感器控制方法具体流程示意图；

图4为本发明实施例提供的基于史密斯预测器的延迟补偿滑模观测器的原理示意图；

图5为本发明实施例提供的锁相环控制原理示意图；

图6为本发明实施例提供的锁相环等效原理示意图；

图7为时间延迟下的转子位置信息示意图；

图8为本发明实施例提供的史密斯预测器控制框图；

图9为本发明实施例提供的自抗扰控制器结构示意图；

图10为本发明实施例中基于永磁同步发电机的海流发电系统结构示意图；

图11为本发明实施例提供的受扰情况下的海流流速示意图；

图12a为本发明实施例提供的补偿型滑模观测器方法下的转速估计仿真图；

图12b为传统滑模观测器方法下的转速估计仿真图；

图13a为本发明实施例提供的补偿型滑模观测器方法下的转速估计误差仿真图；

图13b为传统滑模观测器方法下的转速估计误差仿真图；

图14a为本发明实施例提供的补偿型滑模观测器方法下的转子位置估计仿真图；

图14b为传统滑模观测器方法下的转子位置估计仿真图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的海流发电机自抗扰无速度传感器控制系统及其控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，本发明提供的海流发电机自抗扰无速度传感器控制系统，其中的延迟补偿型滑模观测器，在保持系统整体稳定性和性能的同时减少系统的时间延迟。自抗扰控制器能够实时准确地估计系统的总扰动并对其进行完全补偿，自抗扰控制器与滑模观测器的综合使用可以有效解决抖振问题和提升系统抗干扰能力，使用基于史密斯预估器的延迟补偿型滑模观测器，在保持系统整体稳定性和性能的同时减少系统的时间延迟。本发明提供的海流发电机自抗扰无速度传感器控制方法，对滑模观测器中的开关函数进行改进，采用饱和函数代替符号函数来降低因符号函数在临界点处的高频切换而产生的高频抖振。

图1为本发明实施例提供的海流发电机自抗扰无速度传感器控制系统的结构示意图。参照图1，海流发电机自抗扰无速度传感器控制系统包括海流发电机；滑模观测器，与所述海流发电机电压和电流信号连接，从中观测出所述海流发电机的转子位置和转速信息；自抗扰控制器，与滑模观测器信号连接，接收所述滑模观测器观测出的转速信息，对扰动信息进行估计和补偿；换流器，与海流发电机连接，所述自抗扰控制器输出控制量通过电流环控制生成svpwm信号控制所述换流器开关的通断。

取三相电流进行clark变换后得到静止坐标系下两相电流，与两相电压一起通过滑模观测器后观测出电机的转子位置信息和转速信息，观测出的电机转子位置信息会存在时间延迟现象，通过史密斯预估器对其延迟进行补偿，补偿后的电机转子位置运用到park变换和反park变换，观测出的转速信息通过自抗扰控制器中的扰动信息进行估计，然后对扰动进行补偿，通过自抗扰控制器实现速度环的控制，抑制扰动。然后进行电流环控制，最后生成svpwm信号控制换流器开关的通断，已完成整个海流发电机的控制。

本发明提供的海流发电机自抗扰无速度传感器控制方法。图2为本发明实施例提供的海流发电机自抗扰无速度传感器控制方法步骤流程示意图。参照图2，海流发电机自抗扰无速度传感器控制方法，包括：

s11、将采集到的三相电流信号和电压信号经过clark坐标变换得到静止参考坐标系下的两相定子电流和定子电压，经过滑模观测器观测扩展反电动势，所述反电动势中包含电机的转子位置信息和转子速度信息，扩展反电动势经过锁相环pll估算出电机的转子位置估计值和转子速度估计值；

s12、针对估算出的电机的转子位置估计值存在的时间延迟现象，采用史密斯预估器的方法对其进行时间延迟补偿；

s13、对所估算的电机的转子速度估计值与给定的参考速度进行比较做差形成误差量，所得误差量经过自抗扰控制器进行调节，形成速度环的控制；

s14、通过电流环pi控制器计算出同步旋转坐标系下的电压分量，通过反park变换矩阵对其进行坐标变换得到静止坐标系下的电压分量，经过空间矢量脉宽调制svpwm，输入给换流器控制其开关器件的通和断。

图3为本发明实施例提供的海流发电机自抗扰无速度传感器控制方法具体流程示意图。参照图3，更为具体地，海流发电机自抗扰无速度传感器控制方法包括：

将采集到的三相电流信号和电压信号经过clark坐标变换得到静止参考坐标系下的两相定子电流iα、iβ和定子电压uα、uβ；

经过滑模观测器观测出扩展反电动势eα和eβ，eα和eβ中包含着电机的转子位置信息θ和转子速度信息ω；

扩展反电动势eα和eβ经过锁相环pll估算出电机的转子位置估计值和转子速度估计值

针对估算出的电机的转子位置估计值存在的时间延迟现象，采用史密斯预估器的方法对其进行时间延迟补偿，消除系统的延迟和电机的转子位置估计延迟；

对所估算的电机的转子速度估计值与给定的参考速度ω^*进行比较做差形成误差量，然后所得误差量经过自抗扰控制器进行调节，形成速度环的控制；

通过电流环pi控制器计算出同步旋转坐标系下的电压分量；

通过反park变换矩阵对其进行坐标变换得到静止坐标系下的电压分量，然后经过空间矢量脉宽调制svpwm；

输入给换流器控制其开关器件的通和断，以此来控制海流发电机的转速，实现参考转速下的最大发电功率，形成闭环的控制回路。

步骤1：扩展反电动势的估计

将采集到的三相电流信号和电压信号经过clark坐标变换得到静止参考坐标系下的两相定子电流iα、iβ和定子电压uα、uβ，其电压方程如下式：

其中，为微分算子；ω为电角速度；ld，lq为定子电感，由于采用的是永磁同步发电机，因此ld＝lq＝ls；[eαeβ]^τ为扩展反电动势(back-electromotiveforce，back-emf)，表示如下式：

其中，θe为转子位置信息。

由式(2)可以看出，back-emf中包含着转子角速度信息和转子位置信息，所以当精确的获取back-emf时，就可以计算出转子角速度信息和转子位置信息。为了获得back-emf，将式(1)改写成电流方程形式，如下式：

图4为本发明实施例提供的基于史密斯预估器的延迟补偿滑模观测器的原理示意图。参照如图4所示，将两相定子电压作为输入给滑模观测器获得电流的估计，其滑模观测器设计如下式：

其中，为定子电流估计。

将式(3)和式(4)做差，得到定子电流的误差方程，如下式：

其中，滑模控制率设计如下式：

其中，饱和函数sat(x)如下式：

其中，δ为边界，在边界外采取切换控制，在边界内采取线性反馈控制。

当观测器的状态变量达到滑模面时，即定子电流误差为零，观测器的状态一直保持在滑模面上，根据等效控制原理，其back-emf可被估算出，如下式：

步骤2：转子角速度和转子位置信息的估计

图5为本发明实施例提供的锁相环控制原理示意图。参照图5，由步骤1中所估算出的back-emf经过锁相环来提取转子的信息，其控制原理如图5所示。根据图5，可得如下关系式：

其中，当近似有

图6为本发明实施例提供的锁相环等效原理示意图。参照图6，传递函数可以求得，如下式：

其中，

以此，可以估算出转子的角速度并根据θe＝∫ω估算出转子的位置信息

步骤3：时间延迟补偿

图7为时间延迟下的转子位置信息示意图。时间延迟是影响系统性能的一个主要问题，延时通常主要由数字控制延时、硬件延时和逆变器的开/关延时组成，其表现在转子位置的滞后，参照图7，在估计值与真实值之间存在一个时间延迟τdelay。图8为本发明实施例提供的史密斯预估器控制框图。参照图8，采用史密斯预估器来对延迟进行补偿，由图8可以得出：

控制系统的传递函数可以获得，如下式：

如图8所示，引入变量y1去补偿延迟，有：

由于延迟τdelay是一个较小常数，于是有式(13)可以变换为：

其中，

步骤4：自抗扰控制器设计

自抗扰控制器能够在保持pi控制器控制性能的同时，可以通过扩张状态观测器实时准确地估计，并通过非线性反馈控制率补偿系统的集总扰动。基于海流发电机的特点设计自抗扰控制器，使用转速环自抗扰控制器调节发电机的估计转速。本发明实施例基于永磁同步发电机进行设计自抗扰控制器，故永磁同步发电机的运动方程如下式：

其中，j为系统转动惯量；tm为驱动转矩；n为极对数；ψf为磁链；b为阻尼系数。

根据式(15)，可得下式：

其中，δt和δω是由于海底扰动因素引起的变化量。

式(16)可以变形为下式：

其中，a(t)为系统的总扰动，包括系统外部干扰和参数的变化；b0为参数b的估计。

图9为本发明实施例提供的自抗扰控制器结构示意图。参照图9，扩张观测器被设计如下式：

其中，z1趋近于ω，z2趋近于a(t)。

其非线性反馈控制率被构建如下式：

其中，ω^*为期望转子速度；kp为比例增益；z02/b0为系统扰动的补偿。

步骤5：svpwm信号控制换流器

通过电流环pi控制器计算出同步旋转坐标系下的电压分量，通过反park变换矩阵对其进行坐标变换得到静止坐标系下的电压分量，然后经过空间矢量脉宽调制svpwm，输入给换流器控制其开关器件的通和断，以此来控制海流发电机的发电功率，形成闭环的控制回路。

图10为本发明实施例中基于永磁同步发电机的海流发电系统结构示意图。参照图10，水流在回字形箱体内循环流动，水流流速可以通过调节水泵电机的频率来进行改变，蜂窝器可以使平稳水流突变产生湍流，水流带动海流发电机的涡轮机叶片转动，进而带动发电机旋转进行发电。为了验证所提基于补偿型滑模观测器的海流发电机自抗扰无速度传感器控制策略的有效性，基于真实的海流发电系统，搭建了其整个海流发电控制系统的仿真模型，并根据仿真结果验证其有效性。

为了验证本发明方法的抗扰能力和对抖振现象的抑制能力，图11为本发明实施例提供的受扰情况下的海流流速仿真图。如图11所示，将基础海流流速设定为1.2m/s，在时间5-6s时受到湍流的影响使海流流速突然增大，在时间10-11s时使海流流速突然降低。图12a为本发明实施例提供的补偿型滑模观测器方法下的转速估计仿真图；图12b为传统滑模观测器方法下的转速估计仿真图；图13a为本发明实施例提供的补偿型滑模观测器方法下的转速估计误差仿真图；图13b为传统滑模观测器方法下的转速估计误差仿真图。参照图12a、图12b、图13a以及图13b，采用传统的滑模观测器方法，其转速的估计存在很大的抖振现象，特别是在流速受扰突变时，其抖振现象增大，估计误差也突然增大，而本发明实施例提供的补偿型滑模观测器方法在整个时间段内，转速的估计值都能够跟踪参考转速，而且其抖振现象几乎被消除，与传统滑模观测器方法相比其误差估计值基本为零。图14a为本发明实施例提供的补偿型滑模观测器方法下的转子位置估计仿真图；图14b为传统滑模观测器方法下的转子位置估计仿真图。参照图14a以及图14b，采用传统滑模观测器方法时其转子位置的估计值与真实值之间存在很明显的时间延迟，而采用本发明实施例提供的补偿型滑模观测器方法时，转子的位置估计值与真实值完美的重合，之间的时间延迟被补偿。由此可以得出，本发明实施例提供的补偿型滑模观测器方法与传统滑模观测器方法相比，不仅增加了系统的抗干扰能力，而且明显降低了抖振现象；此外，系统存在的时间延迟也被消除，本发明实施例提供的补偿型滑模观测器方法对转子速度和转子位置的估计更加的精确，提升了系统的控制性能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。