[发明专利]直驱永磁同步风电系统无速度传感器控制算法

说明书

技术领域

本发明是一种直驱永磁同步风电系统的无速度传感器控制算法，采用定子阻值辨识的方法提高无速度传感器控制算法速度估计精度和矢量控制性能，属于风力发电控制设备的技术领域。                                          

背景技术        

在直驱永磁同步风电系统中，永磁同步发电机（PMSG）的矢量控制需要转子的速度和位置信息，最常用的方法是在转子轴上安装传感器，但传感器的安装降低了系统可靠性和增加成本的同时，也给系统的维护带来了问题。而且一般的传感器对温度、湿度、电磁环境也都有要求，风力机通常设置在环境恶劣的野外，使得一般的传感器工作不可靠。而较大功率的直驱风电系统中PMSG转子机械角速度很低，传统的传感器很难精确地定位电角度，从而难以达到优良的控制性能。但PMSG极对数较多，在转子低速运行时电机电角速度不会很低，因而定子电压也不会很低，机械转速较低时电角速度辨识受到的影响较小；而且在系统运行中不要求在零速状态下速度辨识。因此，为了提风电机组运行的可靠性，降低系统的维护成本，在直驱风电系统中一般均省去编码器等速度传感器，采用无速度传感器控制技术。目前永磁同步电机无速度传感器控制技术主要可以分为以下3类：一类是基于电机理想模型的开环计算方法，采用的是基于电机数学模型的开环算法，如直接计算法、基于电感变化的估算法以及反电动势积分法等。这类方法计算过程简单，在电机参数正确的前提下能够得到较为准确的转子位置估算结果。但由于它需要准确地测量电流电压值，并且对电机参数有很强的依赖性，加上它是一种开环计算的方法，无法保证电机在受到噪声干扰或当参数变化时仍能得到正确的结果；另一类是基于各种观测器模型的闭环算法，国内外学者研究了基于各种观测器的闭环算法，当前应用较为广泛的有扩展卡尔曼滤波器、滑模观测器、模型参考自适应算法以及其它自适应算法等，永磁同步电机无速度传感器控制在速度观测精度和系统的稳定性上都有了很大的提高。所有这些适用于中高速运行的无传感器控制技术都是直接或间接地基于从反电势中提取位置信号，通过电机的电压方程计算出所感应的电动势来进行转子位置的估计。由于反电势幅值与电角速度成正比，当电角转速很低甚至到零速时反电动势的信噪比小，加之其它干扰因素，这类算法不能精确地估算转子速度和位置，但较大功率的直驱风力发电机极对数较多，即使在低速启动时电角速度也不低，且运行在一定转速范围内，转速辨识受到的影响较小，因此这种方法可以应用于直驱风电系统中；最后是以高频注入法为典型代表的基于电机理想特性的算法，为了解决低速下的速度观测问题，1993年， M. Corley 和R. D. Lorenz 提出了高频信号注入方法，通过注入高频电流信号或者高频电压信号测量电机电感参数的变化，估算出永磁同步电动机的低速和零速转子位置，该方法利用凸极机自身的凸极特性或者在高频信号下隐极机所表现出来的凸极特性来估算电机转子位置和转速，是当前永磁同步电机无机械传感器低速运行最有效的方法。从20 世纪90 年代末期至今,国内外已经有越来越多的人研究低速和零速永磁同步电动机的无传感器控制技术，并不断有新的方法出现。基于电机非理想特性的方法避免了直接计算电机反电动势，而是用特定频率的激励来获取转子位置信息，在电机低速甚至零速都取得了较好的结果。但是电机在运行过程中需要持续的激励，降低了逆变器的电压利用率，且风力发电机控制系统在低速和零速时并不启动。此外由于这类方法信号处理过程较为复杂，动态性能不是十分理想。且高频信号所产生的转矩脉动对PMSG的传动轴会造成损害，在直驱风电系统中不适用。    

发明内容