船舶雙饋軸帶發電機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，大連 116026)

船舶雙饋軸帶發電機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，大連 116026)

在分析了船舶雙饋軸帶發電系統的結構特點之后，建立了同步旋轉坐標系下雙饋軸帶發電機的數學模型。在此基礎上，提出了一種線性自抗擾并車控制方法。采用擴張狀態觀測器對轉子電流狀態方程中的不確定項進行觀測并加以補償，提高了系統的跟蹤性能。為了實現無沖擊并車，根據自抗擾控制的計算原理，設計了無擾切換的具體實施方法。仿真和實驗結果表明，與PI控制相比，該控制方法超調量小，響應速度快，抗擾能力強，更適合應用在對可靠性要求較高的船舶領域。

船舶雙饋軸帶發電機；線性自抗擾；并車；無擾切換

0 引 言

軸帶發電機是由主機驅動的發電裝置，一般船舶在選擇主機時，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額定功率的5%左右，因此使用軸帶發電機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的功率儲備裕量，達到節能減排的目的，軸帶發電機已經在遠洋船舶上得到了廣泛的應用[1]。

船舶雙饋軸帶發電機作為一種適用于定螺距螺旋槳船舶的新型軸帶發電機，因其不需要同步調相機，所需變換器容量小，成本低等優點，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行，只有滿足并車要求時，軸帶發電機才能與柴油發電機進行并車，繼而為全船供電。目前，雙饋發電機的柔性并網控制方法仍以雙電流閉環PI控制為主[4-5]。然而傳統的PI控制器動態性能差，對于模型參數變化大、有外部擾動的系統，難以達到理想的控制效果。

自抗擾控制技術是由中國科學院韓京清研究員在20世紀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、擴張狀態觀測器和非線性反饋三部分組成，具有控制精度高、響應速度快、抗擾能力強等特點[6-8]。然而由于非線性自抗擾控制器包含非線性函數，且需要調節的參數多，使其不便于工程實踐。針對上述問題，高志強等[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試參數。文獻[11-13]對變速恒頻風力發電系統的自抗擾并網控制技術進行了研究，但都沒有給出實驗結果，且沒有考慮無擾切換問題。本文通過分析雙饋軸帶發電機的數學模型，結合自抗擾控制的計算原理，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。仿真和實驗結果驗證了該控制方法和有效性和可行性。

1 雙饋軸帶發電機數學模型

雙饋軸帶發電機轉子通過升速變速箱與主機軸相連，在主機驅動螺旋槳旋轉的同時，帶動發電機運轉，系統結構如圖1所示。船舶電網通過一個背靠背變換器為發電機轉子提供勵磁電流，網側變換器實際上是一個電壓型PWM整流器，其作用是在單位功率因數運行的前提下，調節中間直流母線電壓，其控制方法在這里不做敘述，可參見文獻[14]。轉子側變換器的任務是控制轉子勵磁電流，使發電機定子電壓實時跟隨船舶電網電壓，達到并車要求。

圖1 船舶雙饋軸帶發電系統結構框圖

雙饋軸帶發電機定子側、轉子側均采用電動機慣例。在同步旋轉d-q軸坐標系下，雙饋軸帶發電機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sd,sq,rd,rq分別表示定、轉子d,q軸分量；Rs,Rr分別表示定、轉子電阻；Ls,Lr分別表示定、轉子自感；Lm表示定、轉子間互感；ω1表示同步電角速度,ωs表示轉差電角速度。

雙饋軸帶發電機并車前，定子電流為零，即isd=isq=0，此時雙饋軸帶發電機的電壓和磁鏈方程可簡化：

選定船舶電網電壓矢量方向為同步旋轉坐標系d軸方向并且忽略定子電阻Rs的影響,穩態情況下為了使發電機定子電壓實時跟蹤船舶電網電壓，雙饋發電機并車前轉子d,q軸電流給定值：

式中:Ug表示船舶電網電壓矢量的幅值。

2 線性自抗擾控制器設計

式(6)、式(7)中的電流狀態方程可以統一抽象：

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

由于控制對象是一階系統，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到比較理想的控制效果，于是可設計如下形式的線性自抗擾控制器：

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

線性自抗擾控制器結構框圖如圖2所示，采用文獻[9]中的方法選取控制器參數，即：

式中:ω0表示擴張狀態觀測器的帶寬，其值越大，觀測值越準確，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，系統響應越快，而過大的控制器帶寬又會影響系統的穩定性。通常取ω0=3ωc～5ωc。可見，最后需要調節的參數只有ω0一個。

圖2 線性自抗擾控制器結構框圖

進一步，可得：

圖3 船舶雙饋軸帶發電機的線性自抗擾并車控制系統框圖

3 仿真和實驗研究

(a)轉子d軸電流(b)轉子q軸電流

(c) 定子A相電流

考慮到船舶航行中，主機轉速會受水流的影響，假設雙饋軸帶發電機轉速變化規律如圖5(a)所示。在1 s時并車，與傳統PI控制進行仿真對比，仿真結果如圖5(b)～圖5(d)所示。圖5(b)、圖5(c)分別為轉子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控制的轉子電流在并車時會產生較大的波動，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轉子電流的波動較小，定子A相電流幅值在0.5 A之內。此外，在系統初始階段，帶無擾切換的線性自抗擾控制具有更小的超調和更快的響應速度。

(a)發電機轉速(b)轉子d軸電流(c)轉子q軸電流(d)定子A相電流

圖5 轉速變化并車仿真波形

根據上述仿真模型，本文搭建了如圖6所示的船舶雙饋軸帶發電系統原理樣機，并與船舶電站物理仿真平臺進行了模擬并車實驗。雙饋軸帶發電機和同步發電機分別由2臺異步電動機驅動，首先起動同步發電機，調節勵磁電流和轉速，為負載提供恒壓恒頻的電能。

圖6 實驗平臺

待模擬的船舶電網穩定后，起動雙饋軸帶發電機，發電機轉速為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，點狀線為船舶電網A相電壓，實線為雙饋軸帶發電機定子A相電壓。可見，兩者頻率、幅值、相位基本一致，符合并車條件。將發電機轉速由1 380 r/min降至1 280 r/min，且在此降速過程中進行并車，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PI控制的定子A相電流波形。可以看出，前者并車沖擊電流明顯小于后者，從而驗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PI控制

4 結 語

針對船舶雙饋軸帶發電機這種適用于定螺距螺旋槳船舶的新型軸帶發電機，通過分析并車前后發電機數學模型的區別，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。該方法只需要調節一個參數，且有明確的物理意義，十分便于工程實踐。仿真和實驗結果表明，在轉速發生變化時，該控制方法優于傳統PI控制，在一定程度上提高了船舶電站的可靠性。

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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

國家自然科學基金項目(61273137,51209026)；遼寧省教育廳科學研究基金項目(L2013202);中央高校基本科研業務費專項基金項目(3132015021,3132014321)

TM34;U665.11

A

1004-7018(2017)02-0083-04

刁亮(1988-)，男，博士研究生，研究方向為船舶電力電子技術與控制。