独立励磁直流发电系统优化控制方法比较

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27975

电子电气工程与控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

独立励磁直流发电系统优化控制方法比较

夏宇航, 王宇()

南京航空航天大学自动化学院，南京　210016

收稿日期:2022-09-06 修回日期:2022-11-23 接受日期:2022-12-10 出版日期:2023-08-25 发布日期:2022-12-27
通讯作者: 王宇 E-mail:Wanghaohao@163.com;wanghaohao@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(51977107);江苏省六大人才高峰(XNYQC-005);航空科学基金(2020HKZ0001)

Comparative study on optimal control methods of independent excitation DC power generation system

Yuhang XIA, Yu WANG()

College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 　210016，China

Received:2022-09-06 Revised:2022-11-23 Accepted:2022-12-10 Online:2023-08-25 Published:2022-12-27
Contact: Yu WANG E-mail:Wanghaohao@163.com;wanghaohao@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51977107);Six Peaks of Talents in Jiangsu Province(XNYQC-005);Aviation Science Foundation of China(2020HKZ0001)

摘要/Abstract

摘要：

传统的电压环比例积分（PI）控制无法兼顾直流（DC）发电系统的稳态和动态性能，一种电容能量平衡控制（CEC）方法被提出用以提升独立励磁直流发电系统的动态性能，CEC外环仍然采用PI控制。提出一种基于负载反馈的广义预测控制（GPC）方法，与PI控制框架下的电容能量控制方法进行比较研究。从原理上分析了CEC与GPC方法的特点，指出CEC方法的高比例增益能够加速系统动态响应，但外环的积分环节与负载电流反馈相冲突，会影响系统的电压稳态精度。分别构建CEC与GPC方法下的系统传递函数，从抗负载电流扰动的角度进行控制参数优化设计，并进行仿真验证，讨论了电容参数失配对2种控制方法的影响。最后，通过对比实验验证了本文对2种优化控制方法分析的正确性。实验结果表明：优化控制参数后的GPC与CEC方法在动态性能上优于传统的电压环PI控制，且相较于CEC，GPC拥有更强的鲁棒性。

关键词: 直流发电系统, 动态性能, 比例积分控制, 电容能量控制, 广义预测控制, 抗负载扰动, 参数优化

Abstract:

Traditional voltage loop Proportional Integral （PI） control cannot take into account the steady-state and dynamic performance of the Direct Current （DC） power generation system. The Capacitor-Energy-based Control （CEC） method is proposed to improve the dynamic performance of the independently excited DC power generation system. The CEC outer loop still uses PI control. In this paper， a Generalized Predictive Control （GPC） method is proposed based on load feedback. The GPC method is compared with the CEC method based on the PI control framework. The characteristics of CEC and GPC methods are analyzed in terms of principles. It is found that the high proportional gain of the CEC method can accelerate the dynamic response of the system， but the integration link of the outer loop conflicts with the load current feedback， which will affect the voltage steady-state accuracy of the system. The system transfer functions for the CEC and GPC methods are constructed. The control parameters are optimized to eliminate anti-load current disturbance， and the simulation verification is carried out. The influence of capacitor parameter mismatch on the two control methods is discussed. Finally， the comparative experiment verifies the correctness of the analysis of the two optimal control methods in this paper. The experimental results show that the GPC and CEC methods with optimized control parameters are better than the traditional voltage-loop PI control in dynamic performance， and GPC has stronger robustness than CEC.

Key words: direct current power generation system, dynamic performance, proportional integral control, capacitor energy control, generalized predictive control, anti-load disturbance, parameter optimization

中图分类号:

V242.2

夏宇航, 王宇. 独立励磁直流发电系统优化控制方法比较[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 327975-327975.

Yuhang XIA, Yu WANG. Comparative study on optimal control methods of independent excitation DC power generation system[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(16): 327975-327975.

图/表 17

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图10

图11

表1

图12

图13

表2

图14

图15

参考文献 21

1	乔东伟，王秀和，朱常青. 新型混合励磁无刷爪极发电机的磁场调节特性分析及试验研究［J］. 中国电机工程学报， 2013， 33（9）： 115-121.
	QIAO D W， WANG X H， ZHU C Q. Investigation of Flux regulation performance and experimental validation of novel hybrid excitation brushless claw-pole alternators［J］. Proceedings of the CSEE， 2013， 33（9）： 115-121 （in Chinese）.
2	钟鸿敏，左曙光，吴旭东，等. 电励磁爪极发电机气隙磁场与径向电磁力的解析计算模型［J］. 电工技术学报， 2017， 32（7）： 49-58.
	ZHONG H M， ZUO S G， WU X D， et al. Analytic model of air gap magnetic field and radial electromagnetic force for electric excitation claw pole alternator［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2017， 32（7）： 49-58 （in Chinese）.
3	WANG Y L， NUZZO S， ZHANG H， et al. Challenges and opportunities for wound field synchronous generators in future more electric aircraft［J］. IEEE Transactions on Transportation Electrification， 2020， 6（4）： 1466-1477.
4	张卓然，李进才，韩建斌，等. 多电飞机大功率高压直流起动发电机系统研究与实现［J］. 航空学报， 2020， 41（2）： 324-335.
	ZHANG Z R， LI J C， HAN J B， et al. Research and implementation of highpower highvoltage DC brushless starter generator system for more-electric-aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（2）： 324-335 （in Chinese）.
5	刘细平，左亮平，刁艳美，等. 轴向磁通切换混合励磁电机励磁控制系统［J］. 电工技术学报， 2013， 28（10）： 97-102.
	LIU X P， ZUO L P， DIAO Y M， et al. Excitation control system of axial flux-switching hybrid excited machine［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2013， 28（10）： 97-102 （in Chinese）.
6	NASR A， HLIOUI S， GABSI M， et al. Design optimization of a hybrid-excited flux-switching machine for aircraft-safe DC power generation using a diode bridge rectifier［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017， 64（12）： 9896-9904.
7	WANG Q S， NIU S X. Design， modeling， and control of a novel hybrid-excited flux-bidirectional-modulated generator-based wind power generation system［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2018， 33（4）： 3086-3096.
8	阳习党，翟小飞，马伟明，等. 整流充电发电机组励磁系统［J］. 电工技术学报， 2014， 29（5）： 54-61.
	YANG X D， ZHAI X F， MA W M， et al. Excitation system of rectified charging generators［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2014， 29（5）： 54-61 （in Chinese）.
9	赵耀，王慧贞，张海波，等. 基于励磁电流前馈调节的航空直流发电系统建模分析［J］. 航空学报， 2015， 36（4）： 1230-1239.
	ZHAO Y， WANG H Z， ZHANG H B， et al. Modeling and analysis of aero DC generation system based on excitation current feedforward regulation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2015， 36（4）： 1230-1239 （in Chinese）.
10	GAO F， BOZHKO S， COSTABEBER A， et al. Control design and voltage stability analysis of a droop-controlled electrical power system for more electric aircraft［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017， 64（12）： 9271-9281.
11	PATIN N， VIDO L， MONMASSON E， et al. Control of a hybrid excitation synchronous generator for aircraft applications［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2008， 55（10）： 3772-3783.
12	王莉，曹小庆，张卓然，等. 电励磁双凸极无刷直流发电机非线性PI调压技术的研究［J］. 中国电机工程学报， 2006， 26 （5）： 153-158.
	WANG L， CAO X Q， ZHANG Z R， et al. Research of nonlinear PI voltage regulation for doubly salient brushless DC generator［J］. Proceedings of the CSEE， 2006， 26 （5）： 153-158 （in Chinese）.
13	翟小飞，马伟明，欧阳斌，等. 前馈控制在脉冲整流发电机数字励磁控制系统中的应用［J］. 电工技术学报， 2013， 28（7）： 151-156.
	ZHAI X F， MA W M， OUYANY B， et al. Application of feed forward control in the excitation system of pulse rectified generator［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2013， 28（7）： 151-156 （in Chinese）.
14	刘金利，马伟明，翟小飞，等. 带脉冲负载多相储能发电机励磁控制系统设计［J］. 海军工程大学学报， 2019， 31（3）： 32-38.
	LIU J L， MA W M， ZHAI X F， et al. Design of excitation control system for multi-phase energy storage generator with pulse load［J］. Journal of Naval University of Engineering， 2019， 31（3）： 32-38 （in Chinese）.
15	XU Y W， ZHANG Z R， BIAN Z M， et al. Capacitor-energy-based control of doubly salient brushless DC generator for dynamic performance optimization［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2020， 35（4）： 1886-1896.
16	CHOI D K， LEE K B. Dynamic performance improvement of AC/DC converter using model predictive direct power control with finite control set［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2015， 62（2）： 757-767.
17	VAZQUEZ S， RODRIGUEZ J， RIVERA M， et al. Model predictive control for power converters and drives： advances and trends［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017， 64（2）： 935-947.
18	薛生辉，曲俊海，王永宏，等. 比例-积分控制加广义预测控制算法及其应用［J］. 控制理论与应用， 2018， 35（9）： 1320-1330.
	XUE S H， QU J H， WANG Y H， et al. Proportional-integral control plus generalized predictive control algorithm and its application［J］. Control Theory & Applications， 2018， 35（9）： 1320-1330 （in Chinese）.
19	王安鹏，黄旭珍，李立毅，等. 永磁直线同步电机的变权重系数多步模型预测电流控制方法［J］. 中国电机工程学报， 2022， 42（22）： 8332-8343.
	WANG A P， HUANG X Z， LI L Y， et al. Variable weight coefficient multi-step model predictive current control method for permanent magnet linear synchronous motor［J］. Proceedings of the CSEE， 2022， 42（22）： 8332-8343 （in Chinese）.
20	WANG T， ZHU Z Q， FREIRE N M A， et al. Generalized predictive DC-link voltage control for grid-connected converter［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics， 2022， 10（2）： 1489-1506.
21	ZHANG X Y， SHI T N， WANG Z Q， et al. Generalized predictive contour control of the biaxial motion system［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2018， 65（11）： 8488-8497.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
定子外径/mm	150
转子外径/mm	89
气隙长度/mm	0.5
额定功率/kW	3
额定转速/（r·min^-1）	3 000
额定永磁磁链/Wb	0.032 6
励磁绕组自感/mH	14.5

方法	控制参数	调节时间/ms		电压峰值/V		稳态误差（28 V基准）/V
方法	控制参数	负载突增	突减	下峰值	上峰值	负载0.8 A	负载4 A
CEC	K_P=100	110	80	21.5	38	0.2	-0.8
	K_P=200	80	80	21.9	37.5	0.2	-0.8
	K_P=1 000	60	80	21.9	37	0.1	-0.5
	K_P=2 000	60	70	22.7	37	0.5	-0.2
GPC	r=10，N=8	120	110	20.3	37	-0.1	-1
	r=1，N=8	60	70	22.3	36.8	0	-0.4
	r=0.1，N=8	60	60	22.3	36.3	0	-0.4
	r=1，N=5	60	70	22.1	36.8	0	-0.5
VCC	K_{P_vcc}=0.8， T_i=0.001 5	60	80	21.8	36	0	-0.5
	K_{P_vcc}=0.8， T_i=0.015	100	80	20.5	38	0	-0.5
	K_{P_vcc}=1.2， T_i=0.002 25	70	60	23.5	34	0	-0.5

[1]	张开铭, 王克鲁, 鲁世强, 柳木桐, 钟平, 田野. 基于响应面法的S280超高强度不锈钢的热变形行为[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 427293-427293.
[2]	贾宝惠, 姜番, 王玉鑫, 王杜. 基于民机维修文本数据的故障诊断方法[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 326598-326598.
[3]	曹毅, 孟刚, 居勇健, 徐伟胜. 考虑伴生转动的大行程柔性微定位平台[J]. 航空学报, 2022, 43(7): 425498-425498.
[4]	王斌, 王海涛, 王玉峰, 张文武. 热障涂层水助激光扫描加工试验[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525353-525353.
[5]	吴宝海, 张阳, 郑志阳, 张莹, 张思琪. 数控加工进给速度参数优化研究现状与展望[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525467-525467.
[6]	郭磊, 高远, 辛会. 热障涂层的激光表面改性参数优化和结构设计[J]. 航空学报, 2021, 42(7): 424114-424114.
[7]	徐勇, 尹阔, 夏亮亮, 门向南, 曾一畔, 张士宏. 面向航空铝合金薄壁深腔构件的冲击液压成形工艺优化[J]. 航空学报, 2021, 42(10): 524831-524831.
[8]	吴爱国, 巩志浩. 基于改进鸽群算法的气动捕获轨道优化[J]. 航空学报, 2020, 41(9): 324292-324292.
[9]	刘一鸣, 盛文, 胡冰, 张磊. 相控阵雷达长时跟踪波束调度与波形优化策略[J]. 航空学报, 2020, 41(3): 323519-323519.
[10]	楚中毅, 赖咪, 燕少博. 欠驱动指爪机构的被动弹性元件参数优化设计[J]. 航空学报, 2018, 39(1): 421370-421370.
[11]	刘凯, 曹毅, 周睿, 葛姝翌, 丁锐. 二自由度平板折展柔性铰链的分析及优化[J]. 航空学报, 2017, 38(2): 420317-420326.
[12]	张健, 张德虎. 高空长航时太阳能无人机总体设计要点分析[J]. 航空学报, 2016, 37(S1): 1-7.
[13]	淮文博, 唐虹, 史耀耀, 蔺小军. 砂布轮柔性抛光力的建模与参数优化[J]. 航空学报, 2016, 37(11): 3535-3545.
[14]	赵耀, 王慧贞, 张海波, 陈晨, 肖岚. 基于励磁电流前馈调节的航空直流发电系统建模分析[J]. 航空学报, 2015, 36(4): 1230-1239.
[15]	李卫彬, 秦晓旭. 优化镍基高温合金X-750热处理工艺参数的非线性超声无损评估方法[J]. 航空学报, 2015, 36(11): 3742-3750.

独立励磁直流发电系统优化控制方法比较

Comparative study on optimal control methods of independent excitation DC power generation system

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 17

参考文献 21

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价