易映萍,劉普,吳金龍
(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海 200090;2.西安交通大學 電氣工程學院,陜西 西安 710049;3.許繼柔性輸電系統(tǒng)公司,河南 許昌 461000)
永磁直驅風力發(fā)電機無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 光電信息與計算機工程學院,上海 200090;2.西安交通大學 電氣工程學院,陜西 西安 710049;3.許繼柔性輸電系統(tǒng)公司,河南 許昌 461000)
在背靠背直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)中,無傳感器控制技術一直是研究的熱點。在雙Y移30°六相永磁同步發(fā)電機數(shù)學模型的基礎上,設計了一個基于飽和函數(shù)的新型滑模變結構觀測器,用于估算電機的轉子位置和速度。利用估算的結果,實現(xiàn)了永磁直驅同步風力發(fā)電機組的無傳感器矢量控制。仿真和實驗結果表明該設計的滑模變結構控制器對負載擾動具有很強的魯棒性,并可以在較廣的頻率范圍運行時準確地估算轉子位置信息。而機側系統(tǒng)通過監(jiān)測風速變化實時調(diào)整發(fā)電機轉速,達到最大風能捕獲的目的。
PWM變流器;永磁同步發(fā)電機;滑模觀測器;矢量控制
在直驅型風力發(fā)電機控制系統(tǒng)中,速度傳感器會引起成本增加可靠性降低等問題。因此無傳感器控制系統(tǒng)成為變流器機側控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。目前,估算轉子位置角的方法主要有模型參考自適應法、狀態(tài)觀測器估算法、人工智能法等[1]。其中大多數(shù)估算方法都需要利用準確的電機參數(shù)。然而在實際中,發(fā)電機參數(shù)易受運行環(huán)境變化。因此,本文提出利用滑模觀測器估算轉子位置和速度。本文以直驅型背靠背變流器電路拓撲結構為基礎,對永磁直驅風力同步發(fā)電機的無傳感器控制策略進行了研究。同其他方法相比較,滑模運動與控制對象擾動無關,對數(shù)學模型的精度要求也不高,具有很強的魯棒性[2]。
背靠背雙PWM變流器電路的拓撲結構如圖1所示。發(fā)電系統(tǒng)機側和電網(wǎng)側分別控制,其中機側變流器,通過矢量控制技術提供相位差為30°且對稱的兩組調(diào)制波來控制六相電機在不同環(huán)境下運行。變流器根據(jù)風能的MPPT算法,得到變流電路的有功電流給定值,實現(xiàn)風力機的最大風能捕獲功能。此拓撲結構減小了電路當中電流的諧波含量,風車可以自啟動,在切入風速附近,發(fā)電機可作電動運行,避免風機停止轉動,可以有針對性地提高系統(tǒng)的運行特性。
圖1 背靠背雙PWM型變流器拓撲結構圖Fig.1 Topological structure of the back-toback double PWM converter
圖2 六相永磁同步發(fā)電機數(shù)學模型Fig.2 The mathematical model of six phase permanent magnet synchronous generator
雙Y移PMSG有6個獨立的電流變量,在六相靜止坐標系下是一個高階、非線性、強耦合的系統(tǒng)。為簡化數(shù)學模型,在磁動勢不變和功率不變的原則下,如圖2所示,將六相PMSG的數(shù)學模型建立在兩相靜止坐標系α-β和兩相旋轉坐標系d-q上[3-4],正方向采用電動機原則。兩相靜止坐標系的α軸與定子的A相繞組重合,β軸逆時針超前α軸90°(空間電角度)。兩相旋轉坐標系以六相PMSG的轉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。
六相永磁同步電機經(jīng)過6s/2s坐標變換之后在α-β坐標系下的數(shù)學模型為
其中:eα=-KEωrsinθ,eβ=KEωrcosθ,KE為反電動勢系數(shù)。
根據(jù)滑模變結構理論[5],選取狀態(tài)變量為定子電流,構造PMSG的滑模觀測器為
滑模變結構飽和函數(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,選取時需要根據(jù)不同的電機實際測試確定,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性和存在性條件。
由式(2)減式(1)得新型滑模觀測器的動態(tài)方程如下:
根據(jù)滑??刂评碚摚?],在滑模面上進行滑模運動時,
并將其代入式(3)得:
由于低通濾波器引入了相位延遲。因此,對估算角進行補償。下式給出了補償角度:
求得該相移角Δθ后加上就得到準確的轉子位置實際角度θ。由θ可得到轉子轉速:
根據(jù)上述理論,可得基于飽和函數(shù)的滑模結構觀測器結構圖如圖3所示。
圖3 基于飽和函數(shù)的滑模觀測器框圖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誤差,并且在高速范圍具有快速收斂性,減少了滑模抖動問題。通過調(diào)整與轉速相關的反饋增益,選擇合適的邊界層厚度和反饋值來提高低速時轉子位置角的估算精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
為了滿足風力發(fā)電系統(tǒng)的要求,實現(xiàn)風能利用中的最大功率點跟蹤,本文利用觀測器估算的轉子位置和速度實現(xiàn)了轉子磁場定向的無傳感器矢量控制,控制系統(tǒng)框圖如圖4所示,轉速指令經(jīng)最大功率運算后從風力機模型獲得。轉子角位置θ實現(xiàn)系統(tǒng)轉子磁鏈磁場定向控制的關鍵,由新型滑模觀測器獲得,用于矢量控制中的坐標變換,而觀測得到的速度用于轉速閉環(huán)反饋。對基于滑模觀測器的無傳感器矢量控制策略進行了仿真與實驗研究。
圖4 機側控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of generation-side control system
發(fā)電機的轉子位置估算仿真結果如圖5所示。圖5a為濾波延遲,未加補償?shù)膶嶋H角位置與估算角位置的波形;圖5b為相角補償后,實際角位置與估算角位置波形。從圖5中看出估算角度和實際角度基本一致。轉子速度的估算及誤差如圖6所示,在0.1s負載擾動時,設計的滑模觀測器仍然可以有效地估算轉子速度。
圖5 發(fā)電機轉子位置仿真曲線Fig.5 Simulation curves of generator rotor position
為進一步驗證基于滑模觀測器控制系統(tǒng)的正確性,進行了轉速和電流跟蹤的實驗研究。直流電動機作為原動機模擬風力機,額定功率為3kW的六相永磁同步發(fā)電機。數(shù)字信號處理器TMS 320F2812為控制芯片,其快速的指令周期可以滿足滑??刂葡到y(tǒng)運算速度和存儲容量的要求。發(fā)電機的角位置和速度由滑模觀測器估算得到,角位置用于矢量控制解耦運算,速度作為反饋量,實現(xiàn)雙閉環(huán)控制。
圖6 發(fā)電機轉子速度仿真曲線Fig.6 Simulation curves of generator rotor speed
由圖7可見,改變轉速指令時,用示波器測量發(fā)電機的電壓頻率曲線,讀取電壓周期,由n=60f/p計算轉速的跟蹤。分別給定轉速指令82 r/min,180r/min。圖7中實驗波形得轉速的實際值分別為83.3r/min和180.7r/min,跟蹤誤差分別為1.6%和0.4%。由實驗結果可以看出該方法能夠在較大的頻率范圍內(nèi)準確地估算出轉子位置信息,擴大了其在低速領域的無傳感器控制。
圖7 發(fā)電機電壓頻率實驗曲線Fig.7 Experimental curves of generator voltage frequency
圖8為直流電機模擬風力機拖動永磁同步發(fā)電機時,饋入發(fā)電機的電壓、電流曲線,線電壓Uab與相電流ia相位差為210°,電機處于發(fā)電狀態(tài)。發(fā)電機的電流能快速、有效地跟蹤風力機提供的功率,滿足風力發(fā)電的要求。實驗結果表明,本文設計的滑模觀測器能夠實現(xiàn)對轉子位置和速度的準確觀測。整個控制系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了風力發(fā)電系統(tǒng)機側無傳感器矢量控制。
圖8 發(fā)電機Uab,ia的實驗波形Fig.8 Experimental curves of Uaband iaof generator
采用背靠背PWM變流器作為永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)變流器,可以根據(jù)實際需要對電機控制性能進行優(yōu)化,提高風電系統(tǒng)的效率。本文將滑模變結構控制應用于發(fā)電機矢量控制系統(tǒng)中,根據(jù)六相永磁同步電機的數(shù)學模型,設計了一個滑模變結構控制器,用于估算電機轉子位置和速度,通過仿真及實驗樣機驗證了在額定功率下無速度傳感器矢量控制策略的有效性,能夠在保證滑模變結構魯棒性本質(zhì)特點的基礎上明顯地削弱抖振,實現(xiàn)了無傳感器磁場定向控制。系統(tǒng)控制能夠實現(xiàn)風力機的最大風能捕獲,為研究大功率永磁直驅風電系統(tǒng)的控制奠定了理論基礎。
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[2] 劉金琨,孫富春.滑模變結構控制理論及其算法研究與進展[J].控制理論與應用,2007,24(3):407-418.
[3] 王成元,夏加寬,孫宜標,等.現(xiàn)代電機控制技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.
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[7] 葉杭治.風力發(fā)電機組的控制技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.
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
國家科技支撐項目(2007BAA12B04)
易映萍(1967-),女,工學碩士,副教授,Email:yyp@usst.edu.cn
2010-08-06