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面向波浪发电优化控制的开关磁阻发电机四象限推力分配策略

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admin 发表于 2024-12-14 04:04 | 查看全部 阅读模式

文档名:面向波浪发电优化控制的开关磁阻发电机四象限推力分配策略
摘要:直线开关磁阻发电机(LSRG)由于其成本低、可靠性高,十分适合直驱式波浪发电的应用场合.为了提升波浪能的捕获效率,波浪发电装置需要采取优化控制策略来主动地改变浮体-波浪间的相互作用,此类策略要求电机在全部四个象限下具备推力指令跟踪的功能.然而,现有的波浪发电LSRG往往工作在固定开通-关断角的模式下,无法满足这一要求.为此,该文提出一种基于优化推力分配函数的LSRG控制方案,以使电机在四象限下以最小的推力波动实现推力指令跟踪.提出考虑直流电压受限这一约束条件的优化推力分配函数,并进一步讨论其在四象限下的实现方案.搭建LSRG-永磁同步电机对拖实验平台以模拟实际波浪发电工况,在恒定速度、阻尼控制和谐振控制的运行条件下,验证了所提出控制方案的有效性.

Abstract:Linearswitchedreluctancegenerators(LSRG)arepromisingcandidatesfordirect-drivewaveenergyconverters(WECs)duetotheirlowcostandhighreliability.Thegeneratorshouldbeproperlycontrolledtoactivelychangethewave-bodyinteractionstoimprovethewaveenergycaptureefficiency.Itrequiresatwo-layer,cascadedcontrolscheme:anupperlayeristheenergy-optimizingcontrollerprovidingaforcecommand,andalowerlayeristhegeneratorcontrollertrackingthiscommand.BecausetheWECoscillateswithwaves,itsvelocityisbi-directional.Meanwhile,theoptimalforceisusuallynotstrictlypassivebutcontainsreactivecomponents.Consequently,theLSRGshouldbecontrolledtotrackthedesiredforceinallfourquadrants.However,existingLSRGsforWECstypicallyoperatewithafixedon-offangle,limitingtheirabilityforenergy-optimizingcontrol.Muchresearchfocusesontorque(force)trackingwithrippleminimizationwithconstantforceandconstantspeedforswitchedreluctancemotors.ThereisagapinexperimentaltestingunderWEC-specificoperationconditions.Thispaperproposesafour-quadrantforce-sharingstrategyforLSRGsforWECs.First,twoclassicenergy-optimizingcontrolstrategies,i.e.,dampingcontrolandreactivecontrol,areintroduced,withoutputforcecommandslineartothebody'svelocityanddisplacement.Next,thebasicmodelofLSRGisderived,andanexponential-sinusoidalmodeldescribingtheposition-current-forcecharacteristicsisadopted.TwobasiccontrolmethodsofLSRG,theconstant-currentcontrolandthesinusoidalforce-sharingcontrol,areintroduced.Theconstant-currentcontrolmaintainsafixedphasecurrent,resultinginafluctuatingforceduetothenonlinearforcecharacteristics.Thesinusoidalforce-sharingcontroldistributesthetotalforcecommandintotwophasesaccordingtoasinusoidalfunction.Ideally,thisproducesaconstanttotalforce.However,theDCvoltageislimited,andanarbitrarycurrentcommandcannotbetrackedintime,sothetotalforcealsocontainsripples.Therefore,anoptimizedforce-sharingfunctionisproposedtominimizecurrentlosswithintheconstraintsofDCvoltageandtotalforcecommand.Adiscreteforce-sharingfunctioncanbesolved,storedinthecontroller,andimplementedinreal-time.Finally,aforcedistributiontableforallfourquadrantsisderivedforimplementation.AnexperimentalplatformsimulatingWECoperationisestablished,withanLSRGasthegeneratorandapermanent-magnetsynchronousmotor(PMSM)astheprimemover.TheparametersoftheLSRG,especiallytheposition-current-forcecharacteristics,areidentifiedthroughfixed-positionexcitationexperiments.Then,threetestsareconducted:(1)theclassic,constant-velocitytest,(2)theWEC'sdampingcontroltest,and(3)theWEC'sreactivecontroltest.Foreachtest,constantcurrentcontrol,sinusoidalforcesharing,andoptimizedforcesharingarecomparedintermsoftotalforce.Itisverifiedthatunderalltheconditions,theoptimizedforce-sharingstrategyoutperformstheconstant-currentcontrolandsinusoidalforce-sharingcontrol,achievingthedesiredforcewithminimalripples.Theproposedmethodmeetstheenergy-optimizingcontrolrequirementsforWECs,asthechangingrateofcurrentprofilesisconstrainedbyconsideringDCvoltage.

作者:林泽川  黄宣睿  肖曦Author:LinZechuan  HuangXuanrui  XiaoXi
作者单位:清华大学电机工程与应用电子技术系北京100084
刊名:电工技术学报 ISTICEIPKU
Journal:TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety
年,卷(期):2024, 39(12)
分类号:TM619
关键词:波浪发电  直线开关磁阻发电机  推力波动抑制  
Keywords:Waveenergyconversion  linearswitchedreluctancegenerator  forcerippleminimization  
机标分类号:TM352TM734TV737
在线出版日期:2024年7月19日
基金项目:国家重点研发计划,国家自然科学基金,国家自然科学基金面向波浪发电优化控制的开关磁阻发电机四象限推力分配策略[
期刊论文]  电工技术学报--2024, 39(12)林泽川  黄宣睿  肖曦直线开关磁阻发电机(LSRG)由于其成本低、可靠性高,十分适合直驱式波浪发电的应用场合.为了提升波浪能的捕获效率,波浪发电装置需要采取优化控制策略来主动地改变浮体-波浪间的相互作用,此类策略要求电机在全部四个象限下...参考文献和引证文献
参考文献
引证文献
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