基于無速度傳感器直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電控制研究

田 武，張 柳，劉 莉，陸曉旭，田明輝，楊 澤，許傲然

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

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基于無速度傳感器直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電控制研究

田 武，張 柳，劉 莉，陸曉旭，田明輝，楊 澤，許傲然

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

分析了直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)中所采用的傳統(tǒng)定子磁鏈觀測(cè)法和純積分器觀測(cè)法存在的問題。在此基礎(chǔ)上，提出了基于坐標(biāo)變換的飽和反饋積分器觀測(cè)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)定子磁鏈觀測(cè)技術(shù)的諸多缺點(diǎn)和不利。最后，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，利用Matlab軟件搭建了相應(yīng)的仿真模型，對(duì)所采用的基于磁鏈觀測(cè)器的無速度傳感器觀測(cè)技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了所提方法的可行性和有效性。

永磁同步發(fā)電機(jī)；無速度傳感器；定子磁鏈

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因具有可靠性好、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)，已成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1]。在研究直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能時(shí)，研究永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)的驅(qū)動(dòng)控制性能顯得尤為重要[2]。目前，常用的方法是通過安裝位置傳感器來較為準(zhǔn)確地獲取轉(zhuǎn)子的位置，從而達(dá)到對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)矢量控制的目的。但增加的位置傳感器，除了自身會(huì)受到許多因素影響之外，還會(huì)給系統(tǒng)本身帶來諸多不便。因此，無速度傳感器控制技術(shù)正成為直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電的一種趨勢(shì)。無速度傳感器控制技術(shù)，簡(jiǎn)單地說，就是通過測(cè)量與轉(zhuǎn)子位置、速度相關(guān)的一些量，然后利用建立數(shù)學(xué)模型、狀態(tài)觀測(cè)等方法推測(cè)出其位置與速度[3]。以往采用的定子磁鏈觀測(cè)方法，如純積分器觀測(cè)法，其存在較嚴(yán)重的直流漂移和誤差積累問題且對(duì)初始值的選擇較為嚴(yán)格。因此，研究一些改進(jìn)型的磁鏈觀測(cè)器是十分必要的[4-6]。

1 傳統(tǒng)定子磁鏈觀測(cè)方法—純積分器觀測(cè)法

將永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型用下式表示：

(1)

經(jīng)積分運(yùn)算可得：

ψ=∫(u-Ri)dt

(2)

將上式轉(zhuǎn)化到s域有：

(3)

由式(3)可知，由于純積分器的極點(diǎn)位于s平面原點(diǎn)，因此該定子磁鏈觀測(cè)器非常敏感，很容易受到電壓、電流測(cè)量的直流漂移及定子電阻變化的影響。另外由于純積分器本身具有對(duì)誤差積累的特性，它會(huì)積累輸入信號(hào)中的直流偏移，這將導(dǎo)致輸出磁鏈中包含很大的直流偏移量[7]。同時(shí)，純積分器的輸出還與積分初始時(shí)刻有關(guān)：如果輸入的正弦信號(hào)初始值不在峰值處，積分運(yùn)算的結(jié)果也會(huì)有一個(gè)恒定的直流偏移。根據(jù)式(3)可知，由于純積分器的極點(diǎn)處于s平面原點(diǎn)的緣故，定子磁鏈觀測(cè)器受U、I測(cè)量的直流漂移影響非常大。此外，積分器的輸出對(duì)輸入初始值的選取也很苛刻，若初始值選取不當(dāng)，不但會(huì)造成積分運(yùn)算結(jié)果出現(xiàn)直流偏移，甚至還會(huì)使電機(jī)中產(chǎn)生直流偏磁。上述這些問題對(duì)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行都是非常不利的。

2 改進(jìn)型定子磁鏈觀測(cè)技術(shù)

鑒于純積分器觀測(cè)技術(shù)存在的弊端，采用基于坐標(biāo)變換的飽和反饋積分器磁鏈觀測(cè)法。文獻(xiàn)[8]提出了基于幅值限定的改進(jìn)積分器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于幅值限定的改進(jìn)積分器原理

該積分器具有以下特點(diǎn)：若輸入信號(hào)頻率ωe較小并且幅值也沒有飽和時(shí)，它仍相當(dāng)于一個(gè)純積分器。當(dāng)該積分器由不飽和狀態(tài)過渡到飽和狀態(tài)時(shí)，選a軸作為參考，那么輸入信號(hào)可以表示為：

uas=Umsin(ωet+θ0)+D

(4)

考慮到純積分器在未飽和階段的作用，可將a軸的反饋分量表示如下：

Zas(t)=Lsin(ωet+θ0-π/2)

(5)

進(jìn)一步可得a軸積分器上的輸出為：

(6)

通過拉氏變換和反變換運(yùn)算：

(7)

其中，

由上述可知，當(dāng)取幅值L=Um/ωe時(shí)，基于坐標(biāo)變換的飽和反饋積分器，不僅解決了傳統(tǒng)純積分器的初值和飽和偏移問題，而且還可以對(duì)相位和幅值進(jìn)行完全補(bǔ)償。

3 改進(jìn)型磁鏈觀測(cè)方法的MATLAB仿真驗(yàn)證

設(shè)ua、ub為輸入電壓信號(hào)，峰值大小均為20 V，ωe=20 rad/s。此外，在輸入信號(hào)中附加了1 V直流偏移，目的是為了分析所選磁鏈觀測(cè)器對(duì)直流偏置和飽和的抑制作用。圖2所示為ωc分別設(shè)置為10 rad/s、20 rad/s、100 rad/s，飽和限幅值取理想值L=1時(shí)的磁鏈辨識(shí)波形。

圖2 ωc對(duì)基于坐標(biāo)變換的飽和反饋積分器輸出信號(hào)的影響

由圖2可知，積分器對(duì)直流偏置的抑制能力與截止頻率ωc成正比，相角誤差與其成反比。該積分器對(duì)積分結(jié)果能起到較好的相位補(bǔ)償作用。

圖3所示，為ωc一定(取為100 rad/s),積分器限幅值L分別0.5、1、1.5時(shí)的輸出磁鏈波形。

圖3 L對(duì)基于坐標(biāo)變換的飽和反饋積分器輸出信號(hào)的影響

由此圖，亦可以發(fā)現(xiàn)，取L=1時(shí)，改進(jìn)型積分器不僅能夠?qū)χ绷髌破鸬揭种谱饔茫铱梢詫?duì)輸出的幅值和相位誤差進(jìn)行較好的補(bǔ)償。

下面仍取飽和反饋值為L(zhǎng)=1，進(jìn)一步比較改進(jìn)型積分器與其他幾種觀測(cè)器的磁鏈波形。

由圖4可知，改進(jìn)型的積分器解決了存在于純積分器中的初始值問題和飽和問題，相較于一階低通濾波器其幅值和相位誤差也更小，輸出的磁鏈波形亦能更好地近似于理想磁鏈波形。

圖4 磁鏈觀測(cè)器估算磁鏈波形比較

4 結(jié) 語(yǔ)

分析了傳統(tǒng)的定子磁鏈觀測(cè)方法—純積分器觀測(cè)法所存在的弊端。在此基礎(chǔ)上，提出了基于坐標(biāo)變換的飽和反饋積分器磁鏈觀測(cè)法。在對(duì)定子磁鏈觀測(cè)器準(zhǔn)確掌握的基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所采用的改進(jìn)型積分器解決了傳統(tǒng)積分器存在的問題，能更好地對(duì)定子磁鏈進(jìn)行觀測(cè)。

[1]楊恩星，仇志凌，陳國(guó)柱，等.并聯(lián)雙PWM變流器在低速永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(10)：95-98.

[2]楊淑英，張 興，張崇巍，等.永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無速度傳感器驅(qū)動(dòng)控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(8)：720-724.

[3]路建良.直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無速度傳感器控制技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[4]Polinder H,Van P D,Frank F A.Comparison of direct-drive and geared generator concepts for wind turbines.IEEE Transactions on Energy Conversion,2006,21(3):725-733.

[5]胡書舉,李建林,許洪華.適用于直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的Crowbar電路分析[J].電力建設(shè),2007,28(9):44-47.

[6]郭 冰.直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展及其設(shè)計(jì)方法綜述[J].微特電機(jī),2007,(11):56-59.

[7]劉軍峰，李葉松，萬(wàn)淑蕓.基于U-I模型的感應(yīng)電機(jī)定子磁鏈觀測(cè)方法研究[J].電氣傳動(dòng),2008,38(4):20-24.

[8]Jun Hu,Bin Wu.New Integration Algorithms for Estimating Motor Flux Over a Wide Speed Range[J].IEEE Transaction on Power Electronics,1998,13(5):969-977.

(責(zé)任編輯 佟金鍇 校對(duì) 張 凱)

Study on Direct-drive Wind Power Generation Control System without Speed Sensor

TIAN Wu，ZHANG Liu,LIU Li,LU Xiao-xu,TIAN Ming-hui，YANG Ze,Xu Ao-ran

(School of Electric Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136，Liaoning Province)

Direct drive wind power generation system has become a hot research field of wind power generation technology for its good reliability,high efficiency conversion ability and so on.This paper analyzes the disadvantages of traditional stator flux observation method adopted in the direct drive wind power generation.On the basis,integrators with saturation-fed based on axis transformation is put forward,which overcomes many disadvantages and unfavorable of the traditional stator flux observation technology.Finally,the simulation model is established by Matlab/Simulink software and the results of simulation shows that the proposed method is feasible and effective.

Permanent magnet synchronous,Speed sensing technology,Improved electron flux observer technology

2014-07-13

田 武(1989-)，男，安徽毫州人，碩士研究生。

許傲然(1983-)，男，吉林通化人，講師。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.015

TM315

A

1673-1603(2015)02-0260-03