[发明专利]一种用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法

权利要求书

1.一种用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法，其特征在于：将反电动势估算值反馈引入到定子电流观测中以估算转子位置信息，是一种基于多模扰动观测器的转子位置鲁棒观测方法；该方法首先建立基于反电动势模型的滑模观测器，然后将两相静止坐标下电流状态方程的反电动势估算值反馈作为系统扰动，使用基于虚拟参数辨识法的多模扰动观测器对转子位置信息进行准确估计；同时，为了提高系统的控制精度，采用基于虚拟参数辨识法的多模扰动观测器对磁通切换电机的定位力矩进行模糊预测，并通过误差在线训练补偿器进一步提高磁通切换电机的定位力矩预测精度；同时，将定位力矩视为一个已知扰动进行控制，以消除磁通切换电机机械模型误差引起的转子速度和位置估算误差；

为实现多模扰动观测器对磁通切换电机参数的辨识，根据虚拟参数计算原理辨识电感和转动惯量参数，同时根据递推算法利用新引入的观测数据对前次估计的结果进行修正，并引入遗忘虚拟因子，使旧数据的作用得以不断衰减，防止数据递推饱和，随后利用反电动势一体化识别环，得到转子速度和位置信息；

反电动势一体化识别环传递函数为：

根据反电动势一体化识别环传递函数，系统性能不再随速度变化，从而便于正交锁相环参数的设计；

为了使多模扰动观测器对系统扰动具有较强的鲁棒性，因此分析对系统极点选取方法，根据反电动势一体化识别环传递函数，可得：

一种用于飞轮储能系统的转子位置鲁棒观测方法具体包括如下步骤：

(1)在α-β静止坐标系中磁通切换电机的电流状态方程为：

式中，u_α、u_β和i_α、i_β分别表示定子电压和电流在α-β静止坐标系下的分量；L_d和L_q分别表示交轴和直轴电感，L₁＝(L_d-L_q)/2；R_s和ψ_f分别表示定子电阻和永磁磁链；v_m和θ_m分别表示转子速度和位置，E_ex＝v_m(ψ_f+2L₁i_d)，F_e表示电磁转矩，F_cog表示定位力矩；B_m为阻力系数，B_m＝B_o+B_l，B_o和B_l分别表示风阻系数和摩擦系数；J表示转动惯量；

(2)设转子速度和位置的估算值为和κ-γ虚拟坐标系以速度运行，定子电压和电流在κ-γ虚拟坐标系下的分量分别为u_κ、u_γ和i_κ、i_γ，则在κ-γ虚拟坐标系中磁通切换电机的电流状态方程为：

设定则有将e_κ和e_γ作为系统扰动，利用多模扰动观测器对e_κγ进行观测，则基于多模扰动观测器的磁通切换电机的电流状态方程为：

式中，β_κ1、β_κ2和β_γ1、β_γ2分别为κ-γ虚拟坐标系下的收敛系数，f_sκ和f_sγ为已知系统扰动，δ_κ和δ_γ分别为e_κ和e_γ的估计量；利用反电动势一体化识别环，即可得到和若要观测f_sκ和f_sγ，需确定参数L_d、L_q、R_s和J，其中R_s为恒定值，采用基于虚拟参数辨识法确定L_d、L_q和J；

(3)如何得到以待辨识虚拟参数为未知矢量的线性方程，是辨识虚拟参数最关键的步骤，因此需要对待辨识虚拟参数L_d、L_q和J的线性方程进行求解，虚拟参数的格式为：

式中：

θ＝[L_q L_d]^T

式中，i_d、i_q为d-q坐标下的电流分量，τ表示极距；根据虚拟参数计算原理，即当被辨识系统在运行时，每取得一次新的观测数据后，就在前次估计结果的基础上，根据递推算法利用新引入的观测数据对前次估计的结果进行修正，这样随着时间的推移，新观测数据一次次地引入，直到虚拟参数估计值达到满意的精确程度；同时为了防止数据递推的饱和使算法失去修正能力，引入遗忘虚拟因子，使旧数据的作用得以不断衰减；

为实现对磁通切换电机质量惯性的辨识，忽略摩擦阻力，则：

(4)磁通切换电机受双凸极特殊结构的影响会引起定位力矩扰动，造成转子速度和位置估算稳态误差，采用多模扰动状态观测器对定位力矩扰动进行实时观测，将磁通切换电机机械模型描述为：

将z₁＝ω，z₂＝F_cog，u＝F_e代入多模扰动状态观测器，即得到定位力矩F_cog预测值，再利用误差在线训练补偿器进行前馈补偿，以降低不连续性幅值，从而在补偿稳态误差的同时削弱系统抖振。