李黨盈，張 紅，趙永波，劉耿博

(西安麥格米特電氣有限公司 工業(yè)電源事業(yè)部，西安 710075)

0 引言

風(fēng)能是一種取之不盡的清潔能源。近年來，在各種平價(jià)政策的推動(dòng)下，上網(wǎng)電價(jià)逐年走低，風(fēng)能相比化石能源的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)突出，發(fā)展前景被業(yè)界看好。目前成規(guī)模使用的風(fēng)電機(jī)組共有三類：雙饋異步型、永磁同步型和電勵(lì)磁同步型。相對(duì)另外兩種電機(jī)，電勵(lì)磁同步型調(diào)速性能優(yōu)越，高速運(yùn)行效率高[1]，整機(jī)成本較低，通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，可充分利用變頻電源的容量。

為獲得較好的控制性能，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩的解耦，電勵(lì)磁同步電機(jī)中通常利用基于磁場(chǎng)定向的矢量控制。但是在電勵(lì)磁同步電機(jī)中安裝轉(zhuǎn)速反饋所需的傳感器較困難，且傳感器一旦出現(xiàn)故障就會(huì)造成機(jī)組癱瘓，降低了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。采用無速度傳感器控制，可避免這一現(xiàn)象[2]。本文基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速辨識(shí)算法進(jìn)行了研究，給出了電壓型磁鏈改進(jìn)觀測(cè)模型，簡化了實(shí)現(xiàn)電流型磁鏈觀測(cè)的方法，在電壓和電流模型磁鏈觀測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上定義廣義誤差，并經(jīng)過PI自適應(yīng)調(diào)節(jié)后得到轉(zhuǎn)速信號(hào)，最后通過模型仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這一方法的正確性。

1 氣隙磁場(chǎng)定向控制

電勵(lì)磁同步電機(jī)基于磁場(chǎng)定向控制的電機(jī)矢量關(guān)系圖如圖1所示，圖中，d軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子同向，M軸與氣隙磁場(chǎng)同向。

圖1 電機(jī)矢量關(guān)系圖

定子電流在M-T坐標(biāo)系中由轉(zhuǎn)矩電流isT和勵(lì)磁電流isM兩個(gè)正交分量合成。由于M軸定向于氣隙磁鏈φm，那么分解在T軸上的氣隙磁鏈為0，即滿足下式：

isT=ifdsin(θL)+iDsin(θL)+iQcos(θL)

(1)

定義電流im為氣隙磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流，其方向與φm相同。假設(shè)Lm為氣隙等效電感，由圖1可得：

在氣隙磁場(chǎng)定位于M軸同時(shí)維持其幅值不變，根據(jù)電機(jī)統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩公式可知電機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子電流的勵(lì)磁分量關(guān)系如下[3]：

由公式(2)和(3)可知，轉(zhuǎn)矩與磁鏈可以進(jìn)行單獨(dú)控制，從而實(shí)現(xiàn)解耦。根據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁鏈與定子電流和勵(lì)磁電流的關(guān)系，得到電勵(lì)磁同步電機(jī)基于氣隙磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。反饋轉(zhuǎn)速通過無速度傳感器辨識(shí)得到。為提高功率因數(shù)，定子勵(lì)磁電流給定值通常設(shè)為零，氣隙磁場(chǎng)的強(qiáng)度通過控制勵(lì)磁電流來保證。

圖2 氣隙磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)原理圖

2 無傳感器速度辨識(shí)

2.1 基于模型參考自適應(yīng)理論的速度辨識(shí)

MARS是將含有待估計(jì)參數(shù)的方程作為可調(diào)模型，不含未知參數(shù)的方程作為參考模型，利用其輸出量的差值，選擇合適的自適應(yīng)律，動(dòng)態(tài)更新可調(diào)模型中的估計(jì)參數(shù)，使得兩個(gè)模型的誤差在穩(wěn)態(tài)時(shí)趨于零，從而得到反映實(shí)際值的參數(shù)[4]。電機(jī)控制中通常使用電壓和電流磁鏈模型。電壓氣隙磁鏈的計(jì)算公式為：

電流氣隙磁鏈計(jì)算公式為：

電壓模型作為參考模型，輸出氣隙磁鏈的給定值；電流模型中包含轉(zhuǎn)子角度θr，作為可調(diào)模型，輸出氣隙磁鏈的估計(jì)值。磁鏈廣義誤差定義為：

根據(jù)自適應(yīng)原理，利用廣義誤差中的轉(zhuǎn)子位置信息，設(shè)計(jì)出速度辨識(shí)方案，模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識(shí)原理圖如圖3所示，其中自適應(yīng)調(diào)節(jié)器為PI控制器：

圖3 模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識(shí)原理圖

轉(zhuǎn)子角度為轉(zhuǎn)速的積分：

基于波波夫超穩(wěn)定理論的詳細(xì)推導(dǎo)及證明[5]，轉(zhuǎn)速辨識(shí)經(jīng)過自適應(yīng)律，可以保證其穩(wěn)定性。

2.2 電壓磁鏈的改進(jìn)觀測(cè)模型

公式(4)為電壓積分型磁鏈觀測(cè)，這種算法存在直流偏置飽和及設(shè)置初始值問題，積分器為低通濾波，引入了相位延時(shí)使其性能難以滿足要求。本文采用改進(jìn)的電壓型磁鏈觀測(cè)模型，可避免這些缺點(diǎn)，滿足全速度范圍內(nèi)的無速度傳感器辨識(shí)需要。

如圖1所示，θφ為d軸與α軸的夾角，則定子磁鏈?zhǔn)噶靠杀硎緸椋?/p>

其中，Aφ為定子磁鏈?zhǔn)噶糠怠?duì)磁鏈求導(dǎo)，可得到定子電壓矢量：

其中，ω為磁鏈?zhǔn)噶康慕撬俣?。將電壓矢量分解到d-q正交坐標(biāo)系，可得到兩個(gè)電壓分量：

對(duì)同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行積分可以得到磁鏈的相位角θφ：

根據(jù)式(11)和(12)的推導(dǎo)結(jié)果，可設(shè)計(jì)出閉環(huán)形式的電壓磁鏈觀測(cè)模型如圖4所示。校正環(huán)節(jié)k的加入，有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]。由于觀測(cè)結(jié)果為定子磁鏈，需根據(jù)式(4)減去定子的漏感，才可得到氣隙磁鏈。該觀測(cè)模型不存在偏置飽和、圓心偏離等問題，是一種高性能磁鏈觀測(cè)器。

圖4 閉環(huán)形式的電壓磁鏈觀測(cè)模型

2.3 電流磁鏈模型的實(shí)現(xiàn)

由圖1的電機(jī)矢量關(guān)系可知，電流氣隙磁鏈表達(dá)式為：

阻尼繞組中的磁場(chǎng)感應(yīng)電壓和電阻電壓之和為0，即：

阻尼繞組通常為短路鼠籠環(huán)，其電流iD、iQ無法測(cè)量。工程條件允許下，通常忽略阻尼繞組的漏抗，即令φD≈φmd，φQ≈φmq。綜合公式(13)和(14)可求得同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流模型觀測(cè)的氣隙磁鏈為[7]：

其中，p為微分算子，TDd、TDq為阻尼繞組開路時(shí)間常數(shù)。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)研究

3.1 仿真研究

3.1.1 系統(tǒng)仿真模型

電勵(lì)磁同步電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。模型主要由電機(jī)、控制器和變頻主電路組成，此外，還包括電壓電流測(cè)量、PWM調(diào)制波等部分。模型中的控制由MATLAB軟件的系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)函數(shù)使用高級(jí)語言進(jìn)行代碼開發(fā)，用以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速磁鏈觀測(cè)、矢量變換及解耦控制、運(yùn)行流程切換等功能。仿真系統(tǒng)的函數(shù)代碼可直接移植到控制芯片的應(yīng)用程序中，加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度。

圖5 電勵(lì)磁同步電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)仿真模型

為了與實(shí)驗(yàn)工況保持一致，仿真所用電機(jī)為兆瓦級(jí)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī), 其各項(xiàng)參數(shù)由電機(jī)廠通過實(shí)際測(cè)量給出，電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

3.1.2 仿真結(jié)果及分析

系統(tǒng)的仿真分兩個(gè)階段進(jìn)行。首先控制直流電源，使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的電流逐步上升到額定值。勵(lì)磁電流的變化引起電機(jī)磁場(chǎng)的變化，進(jìn)而在定子繞組上感應(yīng)出反電壓。通過電壓型觀測(cè)器，可以估算出轉(zhuǎn)子的初始角度。然后啟動(dòng)變頻器，通過斜坡給定方式，將電機(jī)轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速。

仿真波形如圖6所示，其中圖6(a)為電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)測(cè)值和估計(jì)值轉(zhuǎn)速辨識(shí)曲線，圖6(b)為轉(zhuǎn)子角度的實(shí)測(cè)值和估計(jì)值角度辨識(shí)曲線，圖6(c)為電機(jī)在啟動(dòng)過程中的電機(jī)定子電流波形。從圖中可以看出，電機(jī)啟動(dòng)過程中的估計(jì)值與實(shí)測(cè)值有一定誤差，待電機(jī)穩(wěn)定之后，轉(zhuǎn)速、相位的觀測(cè)量與實(shí)際量已完全相同。整個(gè)啟動(dòng)和運(yùn)行過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，定子電流平滑且無波動(dòng)，滿足無速度傳感器控制的要求。

(a) 轉(zhuǎn)速辨識(shí)曲線

(b) 角度辨識(shí)曲線

(c) 電機(jī)定子電流波形

3.2 實(shí)驗(yàn)研究

在某公司實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行電勵(lì)磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試，該公司研制生產(chǎn)的直驅(qū)式電勵(lì)磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)如圖7所示。測(cè)試平臺(tái)采取兩臺(tái)同型號(hào)電機(jī)聯(lián)軸對(duì)拖的方式，其中陪試電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，被試電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由兩臺(tái)大功率變頻器提供電源，變頻器共用一條直流母線實(shí)現(xiàn)能量回饋。一臺(tái)變頻電源驅(qū)動(dòng)陪試機(jī)，采用速度閉環(huán)控制；另一臺(tái)用作被試機(jī)進(jìn)行能量饋送，因?yàn)樾枰{(diào)節(jié)并網(wǎng)功率，采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

圖7直驅(qū)式電勵(lì)磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

在電機(jī)的定子接線端接有功率分析儀。兩臺(tái)變頻器均采用無速度傳感器矢量控制算法進(jìn)行控制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，給定陪試電機(jī)轉(zhuǎn)速為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速16.5 r/min。電機(jī)轉(zhuǎn)子到達(dá)額定功率和額定轉(zhuǎn)速之后的定子電流波形圖如圖8所示。電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，通過轉(zhuǎn)速傳感器的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)和繪圖，測(cè)得的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速波形圖如圖9所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速圍繞給定值，在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，其波動(dòng)幅度小于萬分之二，滿足電機(jī)試驗(yàn)的要求。

圖8定子電流波形圖

4 結(jié)論

電勵(lì)磁同步電機(jī)以其高性能和低成本的優(yōu)勢(shì)，在兆瓦級(jí)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用越來越廣泛。本文分析了同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向矢量控制原理，提出了基于MARS的無速度傳感器辨識(shí)算法，在MATLAB中搭建系統(tǒng)模型，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠準(zhǔn)確辨識(shí)轉(zhuǎn)速，滿足電勵(lì)磁同步電機(jī)無速度矢量控制的要求，有較強(qiáng)的理論意義和實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。