基于无速度传感器直驱风力发电控制研究

田 武，张 柳，刘 莉，陆晓旭，田明辉，杨 泽，许傲然

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)



基于无速度传感器直驱风力发电控制研究

田 武，张 柳，刘 莉，陆晓旭，田明辉，杨 泽，许傲然

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

分析了直驱风力发电控制技术中所采用的传统定子磁链观测法和纯积分器观测法存在的问题。在此基础上，提出了基于坐标变换的饱和反馈积分器观测技术，克服了传统定子磁链观测技术的诸多缺点和不利。最后，进行仿真验证，利用Matlab软件搭建了相应的仿真模型，对所采用的基于磁链观测器的无速度传感器观测技术进行了验证，证明了所提方法的可行性和有效性。

永磁同步发电机；无速度传感器；定子磁链

直驱风力发电系统因具有可靠性好、转换效率高等优势，已成为风力发电技术领域研究的热点[1]。在研究直驱型风力发电机的运行性能时，研究永磁同步发电机(PMSG)的驱动控制性能显得尤为重要[2]。目前，常用的方法是通过安装位置传感器来较为准确地获取转子的位置，从而达到对永磁同步发电机矢量控制的目的。但增加的位置传感器，除了自身会受到许多因素影响之外，还会给系统本身带来诸多不便。因此，无速度传感器控制技术正成为直驱永磁风力发电的一种趋势。无速度传感器控制技术，简单地说，就是通过测量与转子位置、速度相关的一些量，然后利用建立数学模型、状态观测等方法推测出其位置与速度[3]。以往采用的定子磁链观测方法，如纯积分器观测法，其存在较严重的直流漂移和误差积累问题且对初始值的选择较为严格。因此，研究一些改进型的磁链观测器是十分必要的[4-6]。

1 传统定子磁链观测方法—纯积分器观测法

将永磁同步电机的数学模型用下式表示：

(1)

经积分运算可得：

ψ=∫(u-Ri)dt

(2)

将上式转化到s域有：

(3)

由式(3)可知，由于纯积分器的极点位于s平面原点，因此该定子磁链观测器非常敏感，很容易受到电压、电流测量的直流漂移及定子电阻变化的影响。另外由于纯积分器本身具有对误差积累的特性，它会积累输入信号中的直流偏移，这将导致输出磁链中包含很大的直流偏移量[7]。同时，纯积分器的输出还与积分初始时刻有关：如果输入的正弦信号初始值不在峰值处，积分运算的结果也会有一个恒定的直流偏移。根据式(3)可知，由于纯积分器的极点处于s平面原点的缘故，定子磁链观测器受U、I测量的直流漂移影响非常大。此外，积分器的输出对输入初始值的选取也很苛刻，若初始值选取不当，不但会造成积分运算结果出现直流偏移，甚至还会使电机中产生直流偏磁。上述这些问题对电机的实际运行都是非常不利的。

2 改进型定子磁链观测技术

鉴于纯积分器观测技术存在的弊端，采用基于坐标变换的饱和反馈积分器磁链观测法。文献[8]提出了基于幅值限定的改进积分器结构如图1所示。

图1 基于幅值限定的改进积分器原理

该积分器具有以下特点：若输入信号频率ωe较小并且幅值也没有饱和时，它仍相当于一个纯积分器。当该积分器由不饱和状态过渡到饱和状态时，选a轴作为参考，那么输入信号可以表示为：

uas=Umsin(ωet+θ0)+D

(4)

考虑到纯积分器在未饱和阶段的作用，可将a轴的反馈分量表示如下：

Zas(t)=Lsin(ωet+θ0-π/2)

(5)

进一步可得a轴积分器上的输出为：

(6)

通过拉氏变换和反变换运算：

(7)

其中，

由上述可知，当取幅值L=Um/ωe时，基于坐标变换的饱和反馈积分器，不仅解决了传统纯积分器的初值和饱和偏移问题，而且还可以对相位和幅值进行完全补偿。

3 改进型磁链观测方法的MATLAB仿真验证

设ua、ub为输入电压信号，峰值大小均为20 V，ωe=20 rad/s。此外，在输入信号中附加了1 V直流偏移，目的是为了分析所选磁链观测器对直流偏置和饱和的抑制作用。图2所示为ωc分别设置为10 rad/s、20 rad/s、100 rad/s，饱和限幅值取理想值L=1时的磁链辨识波形。

图2 ωc对基于坐标变换的饱和反馈积分器输出信号的影响

由图2可知，积分器对直流偏置的抑制能力与截止频率ωc成正比，相角误差与其成反比。该积分器对积分结果能起到较好的相位补偿作用。

图3所示，为ωc一定(取为100 rad/s),积分器限幅值L分别0.5、1、1.5时的输出磁链波形。

图3 L对基于坐标变换的饱和反馈积分器输出信号的影响

由此图，亦可以发现，取L=1时，改进型积分器不仅能够对直流偏移起到抑制作用，而且可以对输出的幅值和相位误差进行较好的补偿。

下面仍取饱和反馈值为L=1，进一步比较改进型积分器与其他几种观测器的磁链波形。

由图4可知，改进型的积分器解决了存在于纯积分器中的初始值问题和饱和问题，相较于一阶低通滤波器其幅值和相位误差也更小，输出的磁链波形亦能更好地近似于理想磁链波形。

图4 磁链观测器估算磁链波形比较

4 结 语

分析了传统的定子磁链观测方法—纯积分器观测法所存在的弊端。在此基础上，提出了基于坐标变换的饱和反馈积分器磁链观测法。在对定子磁链观测器准确掌握的基础上，利用Matlab/Simulink仿真软件对系统进行了仿真验证，实验结果表明，所采用的改进型积分器解决了传统积分器存在的问题，能更好地对定子磁链进行观测。

[1]杨恩星，仇志凌，陈国柱，等.并联双PWM变流器在低速永磁直驱风力发电系统中的应用[J].电力系统自动化，2009，33(10)：95-98.

[2]杨淑英，张 兴，张崇巍，等.永磁直驱风力发电机无速度传感器驱动控制[J].电力系统自动化，2011，35(8)：720-724.

[3]路建良.直驱风力发电机无速度传感器控制技术研究[D].北京：北京交通大学，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]胡书举,李建林,许洪华.适用于直驱式风电系统的Crowbar电路分析[J].电力建设,2007,28(9):44-47.

[6]郭 冰.直驱永磁风力发电机发展及其设计方法综述[J].微特电机,2007,(11):56-59.

[7]刘军峰，李叶松，万淑芸.基于U-I模型的感应电机定子磁链观测方法研究[J].电气传动,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.

(责任编辑 佟金锴 校对 张 凯)

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，硕士研究生。

许傲然(1983-)，男，吉林通化人，讲师。

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

TM315

A

1673-1603(2015)02-0260-03