机械弹性储能系统中永磁同步电机反推SVM-DTC控制

新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学（保定））、国网河北省电力公司的研究人员米增强、郑晓明、余洋、畅达、孙辰军，在2017年第21期《电工技术学报》上撰文，机械弹性储能系统在储能过程中驱动电机负载的转矩和转动惯量连续变化，情况复杂，需要一种能够快速跟踪其变化且抗干扰能力较强的控制系统。

直接转矩控制响应快，能快速跟踪储能箱转矩，结合反推自适应控制算法，可以使其有较好的稳态和暂态性能。首先采用遗忘因子递推最小二乘算法辨识储能箱转矩和转动惯量，实时更新控制对象参数，结合辨识结果设计转角、转速、转矩和磁链反推控制器，并最终得到定子电压在两相静止坐标系下的分量，同时设计转矩和转动惯量自适应控制器消除辨识误差对控制性能的影响，进一步应用电压空间矢量调制方法产生频率恒定的开关信号，控制逆变器运行。

实验结果表明永磁同步电机输出转矩能够快速跟踪负载转矩，且转矩转速脉动较小，储能过程平稳。

储能技术是调峰调频、构建智能电网和保障间歇式新能源入网的关键核心技术，在电力系统的发、输、配、用四大环节发挥着巨大的作用[1-3]，机械弹性储能系统在这种情况下应运而生[4,5]。

机械弹性储能系统的储能元件为机械弹性储能箱，其内部结构为并列安装的涡卷弹簧。通过永磁同步电机的驱动实现电能到机械弹性势能的转换与存储。在储能过程中储能箱的转矩和转动惯量连续时变，特别是储能箱反向作用力矩随储能过程的进行而逐渐变大，如果电机输出转矩不能快速匹配，可能导致储能箱带着电机反转，损毁电机。同时转动惯量的时变特性可能造成电机转速的抖振，影响储能箱的力学性能和破坏储能过程的平稳性。涡卷弹簧作为大型刚性机械部件，储能时要求永磁同步电机（Permanent MagnetSynchronous Motor，PMSM）低速平稳运行[6,7]。

直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）以转矩作为控制目标，响应速度快，容易跟踪负载转矩，且便于实现[8,9]。但传统的DTC在低速运行时，转矩和磁链脉动较大[10]，不利于储能过程的平稳进行，且存在逆变器开关频率不恒定的缺点。通常的解决办法是对定子电压矢量进一步细分。

文献[11,12]分别通过增加电压矢量数量和细化每个电压矢量作用时间的方法来减小脉动，但会导致硬件成本增加和控制系统更加复杂。文献[13]分别设计了磁链环、转矩环，通过PI调节器得到定子电压参考值，并结合电压空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）的方法控制逆变器的开关状态，但考虑到PMSM的强耦合、多变量以及本系统控制对象连续时变的特点，PI参数往往难以整定，且稳定裕度较小，系统的自适应能力不强。

文献[14]将反推控制方法[15,16]和SVM-DTC控制方法结合起来，特别适合永磁同步电机非线性系统的控制，但其对大惯量时变负载的低速控制未做进一步地描述。

针对机械弹性储能箱的输出特性，本文首先采用遗忘因子最小二乘递推辨识算法辨识储能箱时变的转矩和转动惯量，实时更新控制对象参数；其次结合其辨识结果设计转角、转速、转矩、磁链反推控制器，同时为了消除辨识误差对控制系统的影响，引入自适应控制方法，使系统有较强的自治能力；最后应用电压空间矢量调制的方法产生频率恒定的开关信号，控制逆变器运行。

实验结果表明电机输出转矩能够快速响应储能箱转矩变化，辨识误差和转动惯量变化对系统的不良影响较小，转矩和转速抖振较小，储能系统能在低速下平稳运行，完成电能到机械弹性势能的转换。

图3  控制系统框图

图4  机械弹性储能系统

图5  机械弹性储能系统控制装置

结论

本文首先建立了机械弹性储能系统数学模型，在该模型的基础上完成了反推自适应SVM-DTC理论的数学推导，证明了该方法的全局收敛性，并通过实验验证了该方法的有效性。

通过实验结果可以看出，与常规方法相比，采用该方法的机械弹性储能系统低速运行时更加平稳，电机转矩跟踪匹配更加迅速，其他各项参数的稳态和暂态性能都更加优秀，为机械弹性储能系统提供了一种行之有效的方法。