[发明专利]风力磁悬浮偏航系统悬浮绕组分割和多端悬浮控制方法

说明书

本发明公开了一种风力磁悬浮偏航系统悬浮绕组分割和多端悬浮控制方法，将风力机舱下转子绕组等分为桨叶侧绕组、尾翼侧绕组、翻滚前侧绕组和翻滚后侧绕组，并由四个悬浮变流器独立控制，实现机舱轴向悬浮和俯仰、翻滚抑制，构建风机偏航系统的三自由度悬浮模型，采用坐标变换法将其转换成多端气隙悬浮动态模型，设计了一种主从多端复合悬浮控制策略，包括主跟踪额定控制器、RBF神经网络不确定项补偿器、自适应同步跟踪控制器，有效消除了多端悬浮模型不确定项以及外界不确定干扰对悬浮同步、跟踪性能的影响。本发明将极大提高机舱悬浮稳定、干扰抑制以及多端同步跟踪性能，提升风机磁悬浮偏航系统对风精度和捕获功率。

技术领域

本发明涉及风力磁悬浮偏航系统悬浮绕组分割和多端悬浮控制方法，尤其是应用于水平轴风力发电系统机舱稳定悬浮后偏航对风，解决外界时变风干扰，以及桨叶侧和尾翼侧迎风面积差异所导致机舱易翻滚、俯仰的问题，属于风力发电磁悬浮领域。

背景技术

风机偏航装置为大中型水平轴风力发电系统关键组件，可实现风机桨叶正面迎风，提升风能捕获功率，但较重风机机舱以及多电机多齿轮偏航传动机制，往往导致风机偏航功耗大、故障率高、对风精度差等问题，为此曲阜师范大学新能源研究所提出了风力磁悬浮偏航系统，极大降低机舱偏航功耗。专利201811023598进行了关于系统结构参数变化对悬浮性能影响的研究，但仅考虑了机舱轴向悬浮，但仅考虑机舱轴向悬浮，但实际上风机机舱一般工作在80米高的塔架上，风机悬浮系统本质是非线性和不稳定性系统，特别是桨叶侧和尾翼侧迎风面积差异，极易导致机舱俯仰，仅考虑机舱轴向悬浮无法确保机舱悬浮稳定，严重影响风力机舱偏航稳定和悬浮气隙稳定，专利201811022690进行了基于主被动控制的风力机舱两点磁悬浮研究，实现机舱轴向悬浮稳定，俯仰运动有效抑制，但实际风力机舱运行中不仅受俯仰力矩影响，同时还受侧向来风影响存在翻滚力矩，风机机舱悬浮后存在轴向、俯仰及旋转等多自由度运动，同时多自由度运行存在较大耦合和非线性问题，各端变流器结构参数不可避免的存在差异、机舱悬浮过程中较大的悬浮功率会放大各端结构参数的差异，严重制约风机机舱的悬浮稳定性以及偏航对风精确度。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提出了风力磁悬浮偏航系统悬浮绕组分割和多端悬浮控制方法，其特征在于：风力机舱的悬浮由盘式电机转子绕组完成，所述转子绕组按照等分原则分成桨叶侧绕组、尾翼侧绕组、翻滚前侧绕组、翻滚后侧绕组，四端绕组产生悬浮合力，轴向悬浮机舱；所述桨叶侧绕组和所述尾翼侧绕组产生差额力，用于抑制机舱俯仰，所述翻滚前侧绕组和所述翻滚后侧绕组产生的差额力，用于抑制机舱翻滚；所述四端绕组分别与四端Buck变流器电气联结，四端绕组每端各设置一个气隙传感器，测量机舱的四端悬浮高度；所述四端绕组电流分别由所述四端Buck变流器控制，磁悬浮系统的四端绕组电流采用主额定跟踪控制和非线性从补偿控制，协同完成绕组电流参考设定；所述绕组电流参考跟踪控制由Buck变流器独立完成；所述主额定跟踪控制采用状态反馈方法快速获得悬浮主导项；所述非线性从补偿控制采用RBF神经网络及自适应同步控制对不确定部分进行逼近补偿，确保机舱四端同步悬浮。包括以下步骤：

步骤1构建风力机舱的俯仰、翻滚和轴向的三自由度悬浮模型

式中，ω₁、ω₂分别为机舱的俯仰角速度和翻滚角速度，分别为机舱的俯仰角和翻滚角，T_S1、T_S2分别为机舱俯仰干扰和翻滚干扰，μ₀为真空磁导率，N为各侧悬浮绕组匝数，S为磁极面积，δ_i(i＝1，2，3，4)为各侧悬浮气隙，i_i为各侧悬浮绕组电流，J_m为机舱俯仰和翻滚转动惯量，m为机舱悬浮质量，g为重力加速度，B为阻尼系数，δ₀为机舱质心悬浮气隙，f_d为机舱轴向干扰，R为机舱旋转半径。

对于(1)式中的干扰T_s1、T_s2、f_d，可由动量定理求得