易映萍，劉普，吳金龍

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200090；2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049；3.許繼柔性輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌 461000）

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)傳感器矢量控制研究

易映萍1，劉普2，吳金龍3

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200090；2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049；3.許繼柔性輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌 461000）

在背靠背直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，無(wú)傳感器控制技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。在雙Y移30°六相永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于飽和函數(shù)的新型滑模變結(jié)構(gòu)觀測(cè)器，用于估算電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和速度。利用估算的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)傳感器矢量控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)的滑模變結(jié)構(gòu)控制器對(duì)負(fù)載擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性，并可以在較廣的頻率范圍運(yùn)行時(shí)準(zhǔn)確地估算轉(zhuǎn)子位置信息。而機(jī)側(cè)系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)風(fēng)速變化實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到最大風(fēng)能捕獲的目的。

PWM變流器；永磁同步發(fā)電機(jī)；滑模觀測(cè)器；矢量控制

1 引言

在直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中，速度傳感器會(huì)引起成本增加可靠性降低等問(wèn)題。因此無(wú)傳感器控制系統(tǒng)成為變流器機(jī)側(cè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，估算轉(zhuǎn)子位置角的方法主要有模型參考自適應(yīng)法、狀態(tài)觀測(cè)器估算法、人工智能法等［1］。其中大多數(shù)估算方法都需要利用準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)。然而在實(shí)際中，發(fā)電機(jī)參數(shù)易受運(yùn)行環(huán)境變化。因此，本文提出利用滑模觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子位置和速度。本文以直驅(qū)型背靠背變流器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)的無(wú)傳感器控制策略進(jìn)行了研究。同其他方法相比較，滑模運(yùn)動(dòng)與控制對(duì)象擾動(dòng)無(wú)關(guān)，對(duì)數(shù)學(xué)模型的精度要求也不高，具有很強(qiáng)的魯棒性［2］。

2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

背靠背雙PWM變流器電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)分別控制，其中機(jī)側(cè)變流器，通過(guò)矢量控制技術(shù)提供相位差為30°且對(duì)稱的兩組調(diào)制波來(lái)控制六相電機(jī)在不同環(huán)境下運(yùn)行。變流器根據(jù)風(fēng)能的MPPT算法，得到變流電路的有功電流給定值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲功能。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減小了電路當(dāng)中電流的諧波含量，風(fēng)車(chē)可以自啟動(dòng)，在切入風(fēng)速附近，發(fā)電機(jī)可作電動(dòng)運(yùn)行，避免風(fēng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，可以有針對(duì)性地提高系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

圖1 背靠背雙PWM型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topological structure of the back-toback double PWM converter

3 永磁同步發(fā)電機(jī)滑模觀測(cè)器

圖2 六相永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型Fig.2 The mathematical model of six phase permanent magnet synchronous generator

雙Y移PMSG有6個(gè)獨(dú)立的電流變量，在六相靜止坐標(biāo)系下是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)。為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，在磁動(dòng)勢(shì)不變和功率不變的原則下，如圖2所示，將六相PMSG的數(shù)學(xué)模型建立在兩相靜止坐標(biāo)系α-β和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q上［3-4］，正方向采用電動(dòng)機(jī)原則。兩相靜止坐標(biāo)系的α軸與定子的A相繞組重合，β軸逆時(shí)針超前α軸90°（空間電角度）。兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系以六相PMSG的轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈軸線作為d軸，超前d軸90°（電角度）為q軸。d軸與A相定子繞組的夾角為θ。

六相永磁同步電機(jī)經(jīng)過(guò)6s／2s坐標(biāo)變換之后在α-β坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

其中：eα＝-KEωrsinθ，eβ＝KEωrcosθ，KE為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。

根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)理論［5］，選取狀態(tài)變量為定子電流，構(gòu)造PMSG的滑模觀測(cè)器為

滑模變結(jié)構(gòu)飽和函數(shù)為

式中：l為控制函數(shù)的反饋增益；ωc為低通濾波器截止頻率；Δ為邊界層，選取時(shí)需要根據(jù)不同的電機(jī)實(shí)際測(cè)試確定，一般取值為0.5；ksω為滑模系數(shù)，此系數(shù)的選取必需滿足可達(dá)性和存在性條件。

由式（2）減式（1）得新型滑模觀測(cè)器的動(dòng)態(tài)方程如下：

根據(jù)滑?？刂评碚摚?］，在滑模面上進(jìn)行滑模運(yùn)動(dòng)時(shí)，

并將其代入式（3）得：

由于低通濾波器引入了相位延遲。因此，對(duì)估算角進(jìn)行補(bǔ)償。下式給出了補(bǔ)償角度：

求得該相移角Δθ后加上就得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置實(shí)際角度θ。由θ可得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：

根據(jù)上述理論，可得基于飽和函數(shù)的滑模結(jié)構(gòu)觀測(cè)器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 基于飽和函數(shù)的滑模觀測(cè)器框圖Fig.3 Block diagram of sliding mode observer based on saturation funtion

本文采用的飽和函數(shù)減少低速范圍的估計(jì)誤差，并且在高速范圍具有快速收斂性，減少了滑模抖動(dòng)問(wèn)題。通過(guò)調(diào)整與轉(zhuǎn)速相關(guān)的反饋增益，選擇合適的邊界層厚度和反饋值來(lái)提高低速時(shí)轉(zhuǎn)子位置角的估算精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 控制系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用中的最大功率點(diǎn)跟蹤，本文利用觀測(cè)器估算的轉(zhuǎn)子位置和速度實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的無(wú)傳感器矢量控制，控制系統(tǒng)框圖如圖4所示，轉(zhuǎn)速指令經(jīng)最大功率運(yùn)算后從風(fēng)力機(jī)模型獲得。轉(zhuǎn)子角位置θ實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子磁鏈磁場(chǎng)定向控制的關(guān)鍵，由新型滑模觀測(cè)器獲得，用于矢量控制中的坐標(biāo)變換，而觀測(cè)得到的速度用于轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋。對(duì)基于滑模觀測(cè)器的無(wú)傳感器矢量控制策略進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。

圖4 機(jī)側(cè)控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of generation-side control system

發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置估算仿真結(jié)果如圖5所示。圖5a為濾波延遲，未加補(bǔ)償?shù)膶?shí)際角位置與估算角位置的波形；圖5b為相角補(bǔ)償后，實(shí)際角位置與估算角位置波形。從圖5中看出估算角度和實(shí)際角度基本一致。轉(zhuǎn)子速度的估算及誤差如圖6所示，在0.1s負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，設(shè)計(jì)的滑模觀測(cè)器仍然可以有效地估算轉(zhuǎn)子速度。

圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置仿真曲線Fig.5 Simulation curves of generator rotor position

為進(jìn)一步驗(yàn)證基于滑模觀測(cè)器控制系統(tǒng)的正確性，進(jìn)行了轉(zhuǎn)速和電流跟蹤的實(shí)驗(yàn)研究。直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)，額定功率為3kW的六相永磁同步發(fā)電機(jī)。數(shù)字信號(hào)處理器TMS 320F2812為控制芯片，其快速的指令周期可以滿足滑模控制系統(tǒng)運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量的要求。發(fā)電機(jī)的角位置和速度由滑模觀測(cè)器估算得到，角位置用于矢量控制解耦運(yùn)算，速度作為反饋量，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制。

圖6 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度仿真曲線Fig.6 Simulation curves of generator rotor speed

由圖7可見(jiàn)，改變轉(zhuǎn)速指令時(shí)，用示波器測(cè)量發(fā)電機(jī)的電壓頻率曲線，讀取電壓周期，由n＝60f／p計(jì)算轉(zhuǎn)速的跟蹤。分別給定轉(zhuǎn)速指令82 r／min，180r／min。圖7中實(shí)驗(yàn)波形得轉(zhuǎn)速的實(shí)際值分別為83.3r／min和180.7r／min，跟蹤誤差分別為1.6%和0.4%。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出該方法能夠在較大的頻率范圍內(nèi)準(zhǔn)確地估算出轉(zhuǎn)子位置信息，擴(kuò)大了其在低速領(lǐng)域的無(wú)傳感器控制。

圖7 發(fā)電機(jī)電壓頻率實(shí)驗(yàn)曲線Fig.7 Experimental curves of generator voltage frequency

圖8為直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)拖動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)時(shí)，饋入發(fā)電機(jī)的電壓、電流曲線，線電壓Uab與相電流ia相位差為210°，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。發(fā)電機(jī)的電流能快速、有效地跟蹤風(fēng)力機(jī)提供的功率，滿足風(fēng)力發(fā)電的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的滑模觀測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置和速度的準(zhǔn)確觀測(cè)。整個(gè)控制系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)無(wú)傳感器矢量控制。

圖8 發(fā)電機(jī)Uab，ia的實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental curves of Uaband iaof generator

5 結(jié)論

采用背靠背PWM變流器作為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器，可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)電機(jī)控制性能進(jìn)行優(yōu)化，提高風(fēng)電系統(tǒng)的效率。本文將滑模變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用于發(fā)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，根據(jù)六相永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)滑模變結(jié)構(gòu)控制器，用于估算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度，通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了在額定功率下無(wú)速度傳感器矢量控制策略的有效性，能夠在保證滑模變結(jié)構(gòu)魯棒性本質(zhì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上明顯地削弱抖振，實(shí)現(xiàn)了無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制。系統(tǒng)控制能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲，為研究大功率永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的控制奠定了理論基礎(chǔ)。

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修改稿日期：2010-11-25

Research on Sensorless Vector Control of Permanent Magnet Direct Drive Wind Power Generator

YI Ying-ping1，LIU Pu2，WU Jin-long3

（1.SchoolofOptical-ElectricalandComputerEngineering，UniversityofShanghaiforScience andTechnology，Shanghai200090，China；2.SchoolofElectricalEngineering，Xi’anJiaotong University，Xi’an710049，Shaanxi，China；3.XJFlexibleTransmissionSystem Corporation，Xuchang461000，Henan，China）

Sensorless control technology is the focus of the research in back-to-back directly driven permanent magnet synchronous generator system.Based on the mathematical model of the double Y shift 30°six phase permanent magnet synchronous generator，a saturated function-based the new sliding mode variable structure observer was designed to estimate the position and speed of rotor.The estimated results were used to realize sensorless vector control of the permanent magnet synchronous generator.Simulation and experimental results show that the design of sliding mode variable structure observer for the disturbance of load has strong robustness，and estimated exact rotor operation in a wider range of frequencies.Through monitor the change of the wind speed to adjust generator speed in order to capture the maximum wind-energy in the generator side system.

PWM converter；permanent magnet synchronous generator（PMSG）；sliding mode observer；vector control

TM31

A

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2007BAA12B04）

易映萍（1967-），女，工學(xué)碩士，副教授，Email：yyp＠usst.edu.cn

2010-08-06