[发明专利]直驱永磁同步风电系统无速度传感器控制算法

权利要求书

1.一种直驱永磁同步风电系统无速度传感器控制算法，包括以下步骤：

(1)电流电压坐标变换，根据检测得到的风力发电机定子电流值和电压值以及所估计的电机电角度，以转子永磁磁势的轴线为旋转坐标的基准对定子电流和电压进行dq旋转坐标变换。

(2)定子阻值辨识，利用旋转坐标变换后的电流电压值，基于MRAS将实时变化的电机定子电阻参数辨识出。

(3)转速估计，用于接收坐标变换后的电流值和电压值、在线辨识的电机定子电阻参数，基于反电动势得到转子估计电角度和实际电角度计算公式，计算公式中电流电压值根据检测得到，定子电阻值根据MRAS辨识得到，定子电流微分项则采用了跟踪微分器(TD)实现。通过消除转子估计电角度和转子实际电角度误差估算出风力机转速，利用估计转速作为反馈对风力发电机实现闭环矢量控制。

2.根据权利要求1所述的直驱永磁同步风电系统无速度传感器控制算法，其特征在于所述的步骤(1)为当风电系统发出开机命令，系统接收变流器开机命令后开始自检测，启动网侧变流器，暂时不启动机侧变流器，发电机定子只有电压值，根据测得的电压值通过锁相计算出风力发电机的电角度和电角速度。根据计算的电角度和电角速度，发电机变流器控制器采用无速度传感器闭环矢量控制方法启动机侧变流器，启动后开始同时检测定子电压和电流作为坐标变换器的输入，变换后的值又作为MRAS定子阻值辨识器和转速估计器的输入。

3.根据权利要求1所述的直驱永磁同步风电系统无速度传感器控制算法，其特征在于所述的步骤(2)为风力发电机运行后开始启动基于MRAS永磁同步电机定子电阻辨识方案。参考模型选电机本体，可调模型选电压模型，定子电阻值作为可调模型的可调参数，采用PI自适应率以达到定子电阻的准确估计。以隐极永磁同步电机来分析，在旋转坐标系下的定子电流数学模型为

pidiq=-RsLsω-ω-RsLsidiq+uduq-ψf·ω---(1)]]>

构造参数可调的估算定子电流数学模型为

pi^di^q=-R^sLsω-ω-R^sLsi^di^q+uduq-ψf·ω---(2)]]>

u_d，u_q为dq坐标系上的定子电压；

i_d，i_q为dq坐标系上的定子电流；

为可调模型的定子dq电流估计值；

L_s为dq坐标系上的定子等效电感；

R_s为定子电阻；

为可调模型的定子电阻估计值；

ψ_f为转子永磁体磁链；

p为微分算子；

ω为转子电角速度。

定义广义误差向量为

e=i-i^=id-i^diq-i^q,]]>i=idiq,]]>i^=i^di^q]]>

按模型参考自适应率的普遍结构，根据Popov超稳定理论选用自适应律，得辨识算法为

R^s=ki∫0t(i^d2-idi^d+i^q2-iqi^q)dτ+kp(i^d2-idi^d+i^q2-iqi^q)+R^s(0)---(3)]]>

4.根据权利要求1所述的基于定子阻值辨识的直驱永磁同步风电系统无速度传感器控制算法，其特征在于所述的步骤(3)转速估计利用坐标变换后的电流值和电压值、在线辨识的电机定子电阻参数，通过消除转子估计电角度和转子实际电角度误差估算出风力机转速。假设转子估算位置和实际转子位置θ相差θ_e，由转子永磁体产生的反电动势在以估计的转子位置定向的坐标中产生了坐标系两个分量和设实际转子位置的定向坐标系为d_q坐标系，而基于估算位置的为坐标系。通过坐标变换可以得到基于估算转子位置和估计转速的永磁同步电机数学模型

u^d=R^si^d+Lspi^d-ω^Lsi^q+e^du^q=R^si^q+Lspi^q+ω^Lsi^d+e^q---(4)]]>

坐标系下的反电动势既是：

e^d=-Eexsinθe-(ω^-ω)Lsiqe^q=Eexcosθe+(ω^-ω)Lsid---(5)]]>

E_ex＝ω·ψ_f                     (6)

E_ex是反电动势系数。假设估计转速和实际转速误差足够小，则反电动势就是一个位置误差函数。计算出转子估算误差

θ^e=tan-1(-e^de^q)]]>

=tan-1-(u^d-R^si^d+Lsω^i^q-Lspi^d)u^q-R^si^q-Lsω^i^d-Lspi^q---(7)]]>

在转子估算误差计算公式(7)中有电流微分项。在风电控制系统中，在参考转速发生变化导致电流值发生变化，或者当外加负载变化的时候也会导致电流值变化，此时dq轴电流微分项不能忽略，否则转速估计的动态性能和抗扰动能力将下降。采用跟踪微分器实现dq轴电流项的微分。d轴或q轴电流跟踪微分器(TD)的结构为：d轴或q轴电流i(t)为输入信号，它将输出2个信号x₁和x₂，其中x₁跟踪i(t)，而从而把x₂作为i(t)的“近似微分”。适当构造跟踪微分器的内部结构，信号x₁、x₂可以在输入端信号不连续或包含一定的噪声时较好地提取出连续信号及其微分信号，而且速度快，精度高。dq轴电流跟踪微分器采用离散系统最速控制综合函数算法的实现形式如下：

x1(k+1)=x1(k)+hx2(k)x2(k+1)=x2(k)+hf,|f|≤rf=fhan(x1(k),x2(k),r,h)---(8)]]>

d=rhd0=hdy=x1+hx2d0=d2+8r|y|a=x2+(a0-d)2·sign(y),|y|>d0x2+yh,|y|≤d0fhan=r·sign(a),|a|>drad,|a|≤d---(9)]]>

式(8)、(9)中h为采样周期，r是反映跟踪快慢的速度因子。用此方法得到dq轴电流微分信号。

转子估算误差公式中各个参数通过检测或前述方法的估算后得到，从而估算出误差角通过对进行PI调节之后得到初始估计转速，经过一级低通滤波器得到最终估算转速对估计转速进行积分从而得到估计转子位置