專利名稱：直驅永磁同步風電系統(tǒng)無速度傳感器控制算法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種直驅永磁同步風電系統(tǒng)的無速度傳感器控制算法，采用定子阻值辨識的方法提高無速度傳感器控制算法速度估計精度和矢量控制性能，屬于風力發(fā)電控制設備的技術領域。
背景技術：
在直驅永磁同步風電系統(tǒng)中，永磁同步發(fā)電機(PMSG)的矢量控制需要轉子的速度和位置信息，最常用的方法是在轉子軸上安裝傳感器，但傳感器的安裝降低了系統(tǒng)可靠性和增加成本的同時，也給系統(tǒng)的維護帶來了問題。而且一般的傳感器對溫度、濕度、電磁環(huán)境也都有要求，風力機通常設置在環(huán)境惡劣的野外，使得一般的傳感器工作不可靠。而較大功率的直驅風電系統(tǒng)中PMSG轉子機械角速度很低，傳統(tǒng)的傳感器很難精確地定位電角度，從而難以達到優(yōu)良的控制性能。但PMSG極對數較多，在轉子低速運行時電機電角速度不會很低，因而定子電壓也不會很低，機械轉速較低時電角速度辨識受到的影響較??；而且在系統(tǒng)運行中不要求在零速狀態(tài)下速度辨識。因此，為了提風電機組運行的可靠性，降低系統(tǒng)的維護成本，在直驅風電系統(tǒng)中一般均省去編碼器等速度傳感器，采用無速度傳感器控制技術。 目前永磁同步電機無速度傳感器控制技術主要可以分為以下3類一類是基于電機理想模型的開環(huán)計算方法，采用的是基于電機數學模型的開環(huán)算法，如直接計算法、基于電感變化的估算法以及反電動勢積分法等。這類方法計算過程簡單，在電機參數正確的前提下能夠得到較為準確的轉子位置估算結果。但由于它需要準確地測量電流電壓值，并且對電機參數有很強的依賴性，加上它是一種開環(huán)計算的方法，無法保證電機在受到噪聲干擾或當參數變化時仍能得到正確的結果；另一類是基于各種觀測器模型的閉環(huán)算法，國內外學者研究了基于各種觀測器的閉環(huán)算法，當前應用較為廣泛的有擴展卡爾曼濾波器、滑模觀測器、 模型參考自適應算法以及其它自適應算法等，永磁同步電機無速度傳感器控制在速度觀測精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性上都有了很大的提高。所有這些適用于中高速運行的無傳感器控制技術都是直接或間接地基于從反電勢中提取位置信號，通過電機的電壓方程計算出所感應的電動勢來進行轉子位置的估計。由于反電勢幅值與電角速度成正比，當電角轉速很低甚至到零速時反電動勢的信噪比小，加之其它干擾因素，這類算法不能精確地估算轉子速度和位置，但較大功率的直驅風力發(fā)電機極對數較多，即使在低速啟動時電角速度也不低，且運行在一定轉速范圍內，轉速辨識受到的影響較小，因此這種方法可以應用于直驅風電系統(tǒng)中；最后是以高頻注入法為典型代表的基于電機理想特性的算法，為了解決低速下的速度觀測問題，1993年，M. Corley和R. D. Lorenz提出了高頻信號注入方法，通過注入高頻電流信號或者高頻電壓信號測量電機電感參數的變化，估算出永磁同步電動機的低速和零速轉子位置，該方法利用凸極機自身的凸極特性或者在高頻信號下隱極機所表現出來的凸極特性來估算電機轉子位置和轉速，是當前永磁同步電機無機械傳感器低速運行最有效的方法。從20世紀90年代末期至今，國內外已經有越來越多的人研究低速和零速永磁同步電動機的無傳感器控制技術，并不斷有新的方法出現。基于電機非理想特性的方法避免了直接計算電機反電動勢，而是用特定頻率的激勵來獲取轉子位置信息，在電機低速甚至零速都取得了較好的結果。但是電機在運行過程中需要持續(xù)的激勵，降低了逆變器的電壓利用率，且風力發(fā)電機控制系統(tǒng)在低速和零速時并不啟動。此外由于這類方法信號處理過程較為復雜，動態(tài)性能不是十分理想。且高頻信號所產生的轉矩脈動對PMSG的傳動軸會造成損害，在直驅風電系統(tǒng)中不適用。

發(fā)明內容
針對電機定子電阻等參數變化造成轉速辨識不精確的問題，本發(fā)明提供一種直驅永磁同步風電系統(tǒng)無速度傳感器控制算法。MRAS定子電阻辨識得主要思想是將含有待估計定子電阻參數的方程作為可調模型，將不含未知參數的方程作為參考模型，兩個模型具有相同的物理意義的輸出量。兩個模型同時工作，并利用其輸出量的差值根據自適應率來實時調節(jié)可調模型的定子電阻參數，以達到定子電阻辨識值跟蹤實際阻值的目的。自適應率需要滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性原理，系統(tǒng)和速度的漸進收斂性由Popov超穩(wěn)定性來保證。本發(fā)明利用了 PMSG模型參數以使控制效果和控制成本達到較理想的協(xié)調，采用基于MRAS的定子電阻參數辨識算法解決了電機定子電阻等參數變化造成轉速辨識不精確的問題。利用辨識出的定子電阻參數基于反電動勢得到轉子估計電角度和實際電角度計算公式，公式中的定子電流微分項則采用了跟蹤微分器(TD)實現。通過消除轉子估計電角度和轉子實際電角度誤差估算出風力機轉速，利用估計轉速作為反饋對風力發(fā)電機實現閉環(huán)矢量控制。本發(fā)明技術方案可分為以下幾個步驟實現
(1)電流電壓坐標變換，根據檢測得到的風力發(fā)電機定子電流值和電壓值以及所估計的電機電角度，以轉子永磁磁勢的軸線為旋轉坐標的基準對定子電流和電壓進行dq旋轉坐標變換。(2)定子阻值辨識，利用旋轉坐標變換后的電流電壓值，基于MRAS將實時變化的電機定子電阻參數辨識出。(3)轉速估計，用于接收坐標變換后的電流值和電壓值、在線辨識的電機定子電阻參數，基于反電動勢得到轉子估計電角度和實際電角度計算公式，計算公式中電流電壓值根據檢測得到，定子電阻值根據MRAS辨識得到，定子電流微分項則采用了跟蹤微分器(TD) 實現。通過消除轉子估計電角度和轉子實際電角度誤差估算出風力機轉速，利用估計轉速作為反饋對風力發(fā)電機實現閉環(huán)矢量控制。本發(fā)明的優(yōu)點轉速辨識方法如果未對電機參數進行在線辨識，則會因為溫度變化而出現轉速和轉子空間位置辨識不準確，從而影響PMSG的閉環(huán)調速性能。本發(fā)明提出了一種基于MRAS永磁同步電機定子電阻辨識方案，應用到大功率直驅永磁同步風電控制系統(tǒng)中，為提高效率，參考模型選電機本體，可調模型選電壓模型，定子電阻值作為可調模型的可調參數，采用PI自適應率以達到定子電阻的準確估計。定子電阻在線辨識出后，基于電機數學模型計算出反電動勢在dq旋轉坐標下的兩個分量，基于測量和估算的電機參數計算出估計電角度和實際電角度誤差，通過PI控制律消除此誤差提取出轉子位置和轉速信號。本發(fā)明采用基于MRAS的定子電阻參數辨識算法解決了電機定子電阻等參數變化造成轉速辨識不精確的問題。從而在很大程度上減弱了對象參數變化對轉速辨識的影響。提高了無速度傳感器控制算法的穩(wěn)定性和可靠性。


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圖1定子電阻辨識算法框2無速度傳感器算法框圖
圖中的1是永磁同步發(fā)電機、2是電流坐標變換器、3是電壓坐標變換器、4是定子電流可調模型、5是自適應控制律、6是反電動勢估算、7是誤差角估算、8是PI控制器、9是低通濾波器、10是積分器。圖中符號與變量說明
UgM^Ui定子三相電壓；
定子三相電流； Mi dq坐標系上的定子電壓; ’ dq坐標系上的定子電流; S€可調模型的定子dq電流估計值； R.可調模型的定子電阻估計值
J
估算轉速； 轉子估算誤差； §估計轉子位置。
具體實施例方式
以隱極永磁同步電機來分析，在旋轉坐標系下的定子電流數學模型為 (1)
構造參數可調的估算定子電流數學模型為 (2)
M^J dq坐標系上的定子電壓 ,‘為dq坐標系上的定子電流；
，^為可調模型的定子dq電流估計值
為dq坐標系上的定子等效電感； 為定子電阻；
為可調模型的定子電阻估計值； 為轉子永磁體磁鏈； 為微分算子； 為轉子電角速度； 定義廣義誤差向量為
權利要求
1.一種直驅永磁同步風電系統(tǒng)無速度傳感器控制算法，包括以下步驟(1)電流電壓坐標變換，根據檢測得到的風力發(fā)電機定子電流值和電壓值以及所估計的電機電角度，以轉子永磁磁勢的軸線為旋轉坐標的基準對定子電流和電壓進行dq旋轉坐標變換。(2)定子阻值辨識，利用旋轉坐標變換后的電流電壓值，基于MRAS將實時變化的電機定子電阻參數辨識出。(3)轉速估計，用于接收坐標變換后的電流值和電壓值、在線辨識的電機定子電阻參數，基于反電動勢得到轉子估計電角度和實際電角度計算公式，計算公式中電流電壓值根據檢測得到，定子電阻值根據MRAS辨識得到，定子電流微分項則采用了跟蹤微分器(TD)實現。通過消除轉子估計電角度和轉子實際電角度誤差估算出風力機轉速，利用估計轉速作為反饋對風力發(fā)電機實現閉環(huán)矢量控制。
2.根據權利要求1所述的直驅永磁同步風電系統(tǒng)無速度傳感器控制算法，其特征在于所述的步驟(1)為當風電系統(tǒng)發(fā)出開機命令，系統(tǒng)接收變流器開機命令后開始自檢測，啟動網側變流器，暫時不啟動機側變流器，發(fā)電機定子只有電壓值，根據測得的電壓值通過鎖相計算出風力發(fā)電機的電角度和電角速度。根據計算的電角度和電角速度，發(fā)電機變流器控制器采用無速度傳感器閉環(huán)矢量控制方法啟動機側變流器，啟動后開始同時檢測定子電壓和電流作為坐標變換器的輸入，變換后的值又作為MRAS定子阻值辨識器和轉速估計器的輸入。
3.根據權利要求1所述的直驅永磁同步風電系統(tǒng)無速度傳感器控制算法，其特征在于所述的步驟(2)為風力發(fā)電機運行后開始啟動基于MRAS永磁同步電機定子電阻辨識方案。 參考模型選電機本體，可調模型選電壓模型，定子電阻值作為可調模型的可調參數，采用PI 自適應率以達到定子電阻的準確估計。以隱極永磁同步電機來分析，在旋轉坐標系下的定子電流數學模型為構造參數可調的估算定子電流數學模型為 ud, Uq為dq坐標系上的定子電壓； id，iq為dq坐標系上的定子電流；L ^為可調模型的定子dq電流估計值；Ls為dq坐標系上的定子等效電感； Rs為定子電阻;及為可調模型的定子電阻估計值； Vf為轉子永磁體磁鏈；P為微分算子； ω為轉子電角速度。 定義廣義誤差向量為
4.根據權利要求1所述的基于定子阻值辨識的直驅永磁同步風電系統(tǒng)無速度傳感器控制算法，其特征在于所述的步驟C3)轉速估計利用坐標變換后的電流值和電壓值、在線辨識的電機定子電阻參數，通過消除轉子估計電角度和轉子實際電角度誤差估算出風力機轉速。假設轉子估算位置^和實際轉子位置θ相差θ e，由轉子永磁體產生的反電動勢在以估計的轉子位置定向的坐標中產生了尚坐標系兩個分量&和<。設實際轉子位置的定向坐標系為d,坐標系，而基于估算位置力的為尚坐標系。通過坐標變換可以得到基于估算轉子位置^和估計轉速 的永磁同步電機數學模型
全文摘要
本發(fā)明是一種應用檢測電流和電壓來估計風力發(fā)電機定子電阻和速度實時值的控制算法，并應用算法估計的速度作為速度反饋以控制永磁同步風力發(fā)電機。該速度值通過以下的方式估計根據檢測得到的電機定子電壓電流值，基于模型參考自適應系統(tǒng)(MRAS)在線辨識出風力發(fā)電機定子電阻值，基于反電動勢得到轉子估計電角度和實際電角度誤差計算公式，通過消除此誤差估算出風機轉速。電角度誤差計算公式中電流電壓值根據檢測得到，發(fā)電機運行時變化的定子電阻值根據MRAS辨識得到，定子電流微分項則采用了跟蹤微分器(TD)實現，從而更加精確和快速地估算出轉速。
文檔編號H02P21/14GK102291079SQ201110186109
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權日2011年7月5日
發(fā)明者倪道宏, 祖暉, 祝驊, 章國寶, 魏自聰, 黃永明 申請人:東南大學