本發(fā)明涉及一種電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：抽水蓄能電站具有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用功能，是一種大電網(wǎng)運(yùn)行控制中非常重要的儲(chǔ)能方式。抽水蓄能電站中使用的發(fā)電/電動(dòng)機(jī)是一種既可作發(fā)電機(jī)又可作電動(dòng)機(jī)的可逆式三相凸極同步電機(jī)，其水泵工況下的起動(dòng)方式是抽水蓄能電站電氣設(shè)計(jì)時(shí)考慮的最重要問題之一。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展和日益成熟，通過靜止變頻器(StaticFrequencyConvertor，SFC)來起動(dòng)抽水蓄能機(jī)組的方式逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。在抽水蓄能SFC的關(guān)鍵技術(shù)之中，轉(zhuǎn)子位置檢測一直是可靠性最薄弱的環(huán)節(jié)。實(shí)用的技術(shù)手段仍然是采用機(jī)械位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置，而這類傳感器如光電編碼器，屬于精密儀器，抗振動(dòng)能力差，使SFC設(shè)備在起動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。降低了SFC系統(tǒng)的可靠性。常見的應(yīng)用在高端抽水蓄能無傳感器SFC設(shè)備中的方法則是通過電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程和預(yù)先獲取的負(fù)載特性以計(jì)算轉(zhuǎn)子的位置，這一方法依賴于電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程的精確度，一旦負(fù)載轉(zhuǎn)矩在起動(dòng)時(shí)發(fā)生了變化或是受到了外界擾動(dòng)，則角加速度的誤差就會(huì)在積分運(yùn)算中累加直至發(fā)生換相錯(cuò)誤。近年來，永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制技術(shù)得到了快速的發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多基于現(xiàn)代控制理論以及微處理器的控制方法，如狀態(tài)觀測器估計(jì)方法等。然而這些方法大多適用于采用電壓源型逆變器的控制電路，而大型抽水蓄能機(jī)大多組采用基于晶閘管的電流源型變換器，兩者工作原理截然不同。因此，并不能直接套用該類方法。故，需要一種新的技術(shù)方案以解決上述問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對抽水蓄能機(jī)組靜止變頻起動(dòng)過程中，缺乏可靠且高精度的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法這一問題，本發(fā)明提供一種基于滾動(dòng)時(shí)域的無傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，能夠應(yīng)用于抽水蓄能機(jī)組靜止變頻起動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可采用如下技術(shù)方案：一種抽水蓄能機(jī)組靜止變頻起動(dòng)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)、建立抽水蓄能機(jī)組的數(shù)學(xué)模型；(2)、初始化抽水蓄能機(jī)組的狀態(tài)量，包括分別對初始估計(jì)值滾動(dòng)時(shí)域窗口長度N、初始懲罰矩陣R、Q和P0的初始化；(3)、T時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)問題，即當(dāng)采樣時(shí)刻T≤N時(shí)，應(yīng)用全部的采樣數(shù)據(jù)對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)；累計(jì)采樣次數(shù)T超過N時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)域窗口長度，則將系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)問題的計(jì)算時(shí)域分成兩個(gè)部分，{0≤k≤T-N-1}與{T-N≤k≤T-1}；(4)、用到達(dá)代價(jià)函數(shù)代替前N時(shí)刻測量信息對狀態(tài)量的影響，則得到近似滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)的二次優(yōu)化問題；最后，二次優(yōu)化問題的最優(yōu)解即為k，k＝T-N+1，...T時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)值，并將狀態(tài)估計(jì)值作為控制反饋信號輸出。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：1.省去了角度傳感器，提高了系統(tǒng)可靠性，節(jié)省了成本；2.該方法引入了數(shù)據(jù)時(shí)域窗口，充分利用以約束形式出現(xiàn)的關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)和干擾的已知信息，具有更高的合理性和準(zhǔn)確性。附圖說明圖1是雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的原理框圖；圖2是本發(fā)明中采用的轉(zhuǎn)子位置的滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)方法流程圖。具體實(shí)施方式請結(jié)合圖1及圖2所示，本方法公開了一種抽水蓄能機(jī)組靜止變頻起動(dòng)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，包括了以下四個(gè)部分：1、建模-模型離散線性化；2、初始化；3、起動(dòng)低頻階段轉(zhuǎn)子位置估計(jì)；4、控制信號輸出。可參考圖1雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的原理框圖理解，具體來說，該方法可以通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)：首先，建立抽水機(jī)組電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并寫出式(1)所示的狀態(tài)空間表達(dá)式：x·=f(x)+Bv+w---(1a)]]>y＝h(x)+v(1b)其中，式中，B=0001σLs0-LmσLsLf01Ls0LmσLsLf01σLf]]>v=vsdvsqUf]]>式中，表示狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù)，np表示抽水蓄能機(jī)組極對數(shù)，J表示抽水蓄能機(jī)組負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Lm表示定子和轉(zhuǎn)子之間互感，TL表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Rs表示定子電阻，Ls表示定子電感，Rf表示轉(zhuǎn)子電阻，Lf表示轉(zhuǎn)子電感，x＝[x1，x2，x3，x4]T，分別對應(yīng)狀態(tài)空間量為：x1為角速度ωr，x2為定子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流isd和x3為定子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流isq；x4為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流If。v＝[vsd，vsq，Uf]T為系統(tǒng)定子電壓vsd，vsq和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓輸入U(xiǎn)f，y為可測量，w表示系統(tǒng)噪聲，v表示測量噪聲。離散化狀態(tài)表達(dá)式為：x(k)＝f{x(k-1)，v(k-1)}+w(k-1)(2a)y(k)＝h{x(k)}+v(k)(2b)下標(biāo)k表示采樣時(shí)刻，k≥0。第二步，初始化?；跐L動(dòng)時(shí)域估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法的動(dòng)態(tài)性能(收斂速度)以及穩(wěn)態(tài)性能(估計(jì)精度)，與初始化步驟是緊密相關(guān)的。這里分別對初始估計(jì)值滾動(dòng)時(shí)域窗口長度N、初始懲罰矩陣R、Q和P0的初值賦予方法：①根據(jù)選取的狀態(tài)量特性，由于初始靜止?fàn)顟B(tài)的各個(gè)電氣量均為0，初始狀態(tài)量的給定對估計(jì)方法收斂性能影響可以忽略，因而確定初始估計(jì)狀態(tài)量為0矢量；②滾動(dòng)窗口長度N的選擇是在線計(jì)算量大小和估計(jì)精度的折中平衡，按照實(shí)際總采樣點(diǎn)需求確定窗口長度，一般精度要求下，窗口長度達(dá)到總采樣點(diǎn)千分之一即可；③初始懲罰矩陣R、Q和P0分別對應(yīng)于測量噪聲、抽水蓄能機(jī)組模型本身精度以及初始狀態(tài)，這里默認(rèn)設(shè)置三個(gè)矩陣為對角矩陣。首先，設(shè)置矩陣Q的q11和q22盡可能的小，以抵消忽略抽蓄機(jī)組機(jī)械方程產(chǎn)生的滯后，下三角參數(shù)q33和q44對參數(shù)的敏感度更強(qiáng)，可以采用“試湊法”給定；接著，完成矩陣R的參數(shù)給定，R矩陣參數(shù)對于估計(jì)性能影響不大，這里按照Q矩陣的q11給定；最后，通過“試湊法”給定P0。第三步，起動(dòng)低頻階段轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。在獲得機(jī)組狀態(tài)空間模型以及初始化給定后，當(dāng)采樣時(shí)刻T≤N時(shí)，應(yīng)用全部的采樣數(shù)據(jù)對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)初始狀態(tài)x0的先驗(yàn)估計(jì)滿足均值為協(xié)方差為P0的正態(tài)分布時(shí)，式(2)描述的T時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)問題等價(jià)于如下式(3)的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題：minΦT(x0,{wk})=minΣk=0T-1||vk||R-12+||wk||Q-12+||x0-x^0||P0-12---(3)]]>求解式(3)得到則第k個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值可以通過式(4)計(jì)算。x^k*=Akx^0*+Σj=0k-1Ak-j-1Buj+Σj=0k-1Ak-j-1w^j*---(4)]]>接著，當(dāng)累計(jì)采樣次數(shù)T超過N時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)域窗口長度，則可將優(yōu)化問題(3)的計(jì)算時(shí)域分成兩個(gè)部分，{0≤k≤T-N-1}與{T-N≤k≤T-1}，則式(3)中的目標(biāo)函數(shù)可以改寫成如下的形式：ΦT′(xT-N,{wk})=Σk=T-NT-1||vk||R-12+||wk||Q-12+ΘT-N(xT-N)---(5)]]>則式(5)中前兩項(xiàng)只利用了當(dāng)前時(shí)刻最新的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)，其余測量數(shù)據(jù)對估計(jì)的影響用到達(dá)代價(jià)函數(shù)ΘT-N(xT-N)來近似描述。為了建立全信息估計(jì)與固定時(shí)域估計(jì)問題之間的聯(lián)系，選擇來代替測量信息對狀態(tài)變量的影響。接著，進(jìn)行近似滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)，代入達(dá)代價(jià)函數(shù)代替式(5)，可重新描述為下面的二次規(guī)劃問題：ΦT′(xT-N,{wk})=Σk=T-NT-1||vk||R-12+||wk||Q-12+||xT-N-x^T-N||PT-N-12---(6)]]>求解式(6)在T時(shí)刻的最優(yōu)解則k(k＝T-N+1，…T)時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)值為：x^k*=Ak-T+Nx^T-N*+Σj=T-Nk-1Ak-j-1Buj+Σj=T-Nk-1Ak-j-1w^j*---(7)]]>求解式(6)時(shí)所用到的先驗(yàn)估計(jì)狀態(tài)和誤差方差矩陣PT-N則可以通過式(8)與式(9)計(jì)算：x^k+1=Ax^k+APkCT(R+CPkCT)-1(yk-Cx^k)---(8)]]>Pk+1＝Q+A[Pk-PkCT(R+CPkCT)-1CPk]AT(9)在下一個(gè)采樣時(shí)刻T+1，測量yT，構(gòu)建新的測量數(shù)據(jù)集，返回式(6)重新求解。整個(gè)估計(jì)器的設(shè)計(jì)流程如圖2所示。第四步，將上述步驟得到的位置估計(jì)作為抽水機(jī)組控制信號的反饋出入，根據(jù)估計(jì)轉(zhuǎn)速和位置給定變流器出發(fā)信號。當(dāng)前第1頁1 2 3