基于MRAS的直驱式永磁风力发电机无位置传感器矢量控制

要 随着电力紧缺和环境问题的 日益突出，利用新能源来替 代传统能源，对于缓解能源匮乏具有非常重大的意义。近年来，风力发电是发展迅猛，成为技术成熟和最具发展潜力的可再生能源。在风电市场中，直驱型永磁同步风力发电机组越来越受到关注。相对其他风电机组而言，它具有结构简单、转换效率高、维护成本低、可靠性高等优点。 低速多级发电机，在系统中，位置和速度的检测对高性能发电机矢量控制非常重要。由于永磁风力发电机体积巨大，安装速度传感器成本极高，且易受外部环境影响，降低系统可靠性，所以采用无速度传感器矢量控制方式成为直驱型风力发电 的必然选择。本文对直驱式 位置 /速度传感器控制的基础理论、控制策略进行了深入研究。 本文首先介绍了风力发电技 术和无速度传感器技术的研 究现状。从风能的特点出发，建立了风能的数学模型。接着研究了风力机的机械特性，建立其数学模型并进行仿真。针对直驱风电系统的其他组成部分：永磁同步电机、直流母线环节和 流器的数学模型，为 无位置 /速度传感器控制研究奠定了基础。 其次，介绍了 矢量控制原理，本文选取基于定子磁链观测的 速度传感器算法，对 设计原则、自适应律的确定进行了详细的公式推导。针对磁链观测器中纯积分带来的直流偏置和误差积累问题，分析了几种克服积分器缺点的几种磁链观测方法。本文在电压模型观测的定子磁链引入一个反馈量，与电流模型观测的磁链值进行比较，获得一个误差值，利用 节器进行误差校正，这大大提高磁链观测器的精度。利用小信号模型法对 速度传感器系统进行稳定性分析。 最后介绍了 法以及 并网前对 最后， 本文对基于改进型 无位置 /速度传感器的矢量控制系统进行了仿真研究，对控制系统进行仿真结果分析，得出结论 度估测方法在直驱系统中有比较好的识别精度和动态特性，能够满足实际中直驱系统电机控制的要求。此外，本文还对 网前转子位置的检测进行了仿真研究，结果表明 够准确的估测转子位置，具有良好的控制性能。为更进一步验证改进型 法的可行性和正确性，利用实验室模拟平台进行实验验证，实验结果表明本文所采用的基于改进型 无位置 /速度传感器的矢量控制策略是确实可行的。 关键词： 位置 /速度传感器；风力发电；永磁直驱；矢量控制 of of it to by to In is a of In to it of of is of of of of to to is to of of is of As of C a in of it of on is is to To of A of is in of of is of is I is by it of At of IV is by it it of In LL is to is LL of To of on It is C). V 目 录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书 . I 摘 要 . . 1 章 绪 论 .题背景及意义 .驱式永磁风力发电系统的研究现状 . 变速恒频技术 . 永磁同步发电机矢量控制策略 . 全功率变流器概述 .磁同步电机无速度传感器的研究现状 . 基于电机理想模型的开环计算法 . 基于观测器模型的闭环算法 . 高频注入法 . 人工神经网络的方法 .速度传感器控制技术在永磁同步发电机中的应用 .文的主要研究内容 . 2 章 直驱型永磁风力发电系统建模与仿真 .力机的建模 . 风能的计算 . 风力机的动力学特性 . 风力机的建模与仿真 .磁同步电机数学模型 .流母线环节数学模型 .功率变流器数学模型 .章小结 . 3 章 基于 直驱型永磁风力同步发电系统矢量控制系统 .言 .磁同步发电机的矢量控制 .于 速度辨识系统 . 计的基本原则 . 链观测模型的建立 .- 适应律的确定 . 基于 速度传感器的 统控制框图 .于改进型 速度辨识系统 . 积分器的改进 . 改进型 压模型磁链观测器 . 改进型 定性分析 . 电机参数对系统的影响 .网前转子位置 /转速的检测 . 并网前转子位置和转速检测的意义 . 转子位置检测的方法 .章小结 . 4 章 永磁直驱式风电无速度传感器系统的仿真分析与实验验证 .于 速度传感器矢量控制系统仿真 . 量控制系统仿真模型建立 . 基于传统 转速辨识的仿真模型建立 . 基于改进型 转速辨识的仿真模型建立 . 仿真结果分析 .于锁相环 ( 初始位置检测仿真分析 . 基于锁相环 (速度估测仿真模型的建立 . 基于锁相环 (速度估测的仿真结果分析 .验验证 . 控制系统的硬件设计 . 控制系统的软件设计 . 实验结果分析 .章小结 .结与展望 .考文献 .录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 .录 B 攻读学位期间所参与的实验项目 . 谢 .1 第 1 章 绪 论 题背景及意义 能源是人类赖以生存和社会 发展的重要物质基础，随着 经济和社会的快速发展，人类对能源的需求越来越旺盛，而地球的不可再生能源是有限的，同时随着人类对能源开采的加剧，环境破坏也越来越严重。从能源发展战略来看，寻求一条可持续发展的能源道路迫在眉睫。为解决能源问题，能源专家提出大力发展可再生能源，因此风力发电得到研究人员的广泛关注。 20 世纪 70 年代以来，风力发电发展迅速，在技术上日益成熟，占电能消耗的比例也越来越高，是近年来最具大规模开发利用的可再生资源。风能作为一种取之不尽的绿色能源，其蕴藏量非常丰富，发展前景广阔。风能和其他能源相比具有许多优点：首先，风力发电场投资小，建设周期短，一台风机的安装时间不超过 3 个月；其次，风力发电不需要火电所需的煤、石油等燃料，建成以后除常规保养外，没有其他任何消耗，再次风力发电对环境和生态影响小，风电场在运行过程中几乎不产生任何对环境有害的物资。基于以上优点，风力发电这几年势头迅猛，已经成为发展速度最快的可再生能源。许多国家都加大了对风力发电场的投资。 直驱式永磁风力发电系统1一种全新、可靠性高、高效的风能开发方案，它可以实现最大风能追踪及实现功率解耦控制的变速恒频发电运行。并且直驱式永磁风力发电系统不需要齿轮箱、电刷和集电环，这大大提高了系统的可靠性，节省了直驱式风力发电系统的第一次投入成本和后期维护成本。由于电网对风电机组并网的规范，对风电机组的低电压穿越技术和三相电网电压不对称运行的要求严格。相比其他风电系统，在直驱式风力发电系统中实现低电压穿越技术及三相电网电压不对称运行不是那么困难。这使得直驱式风力发电系统在风电市场中占有比例越来越高。 为实现高性能、高精度、宽调速范围的永磁同步发电机 (量控制，转子的位置信息至关重要。获得转子信息的途径一般是在转子轴上安装机械式传感器。然而这也带来了许多问题：使系统成本增加、降低了系统的可靠性，安装过程中可能存在同心度问题；并且速度传感器对运行环境要求较高，永磁同步发电机工作在高原、沿海等风能比较充足的环境，温差较大，风沙较多，环境比较恶劣，不适合高精度传感器的工作。由于直驱式风力发电系统采用多级对数永磁同步电机，安装位置 /速度传感器困难3所以无位置 /速度传感器的矢量控制方式 - 2 - 是直驱式风力发电系统的必然选择。 驱式永磁风力发电系统的研究现状 速恒频技术变速恒频5电技术是 20 世纪 70 年代发展起来的一种新型发电技术。它可以通过变流器调节发电机的转速随风速的大小而变化，使其在很宽的风速范围内保持接近恒定的最佳叶尖速比，实现风能最大功率跟踪。而且可以灵活控制系统的有功、无功功率，抑制谐波，提高系统效率，使发电机组与电网之间实现良好的柔性连接。 目前，变速恒频风力发电系统可分为两种：双馈感应发电机变速恒频风力发电系统和永磁同步发电机变速恒频风力发电系统。 双馈风力发电机组在风电市 场已经得到广泛的应用。然 后在实际应用中也暴露出自身的缺点： 1、齿轮箱价格昂贵，且存在漏油问题，故障率高，降低能量转换效率和系统可靠性； 2、双馈风力发电机中的电刷和滑环必须定期检修，维护工作量大，同样降低了系统的可靠性，同时电刷比较容易出现故障，这增加了系统的运行风险。因此，直驱式风力发电机组显现了更大的发展潜力。 永磁同步发电机用于风电领 域一般采用多极对数永磁电 机，所以发电机同步转速较低，不需要齿轮箱就可以直接与风机连接，机组噪声降低；风能转换效率提高，不存在滑环和电刷，机组可靠性高；电机定子绕组通过全功率变流装置接入电网，对电网适应性好，功率控制灵活，对于低电压的穿越技术也相对容易实现。其结构图如图 示。 图 于永磁同步发电机的变速恒频风力发电系统结构图 随着电力电子技术的发展，无齿轮箱的永磁同步风电机组具有很大发展潜力。尽管永磁同步电机体积大、价格昂贵、全功率变流器成本较高等问题，但因为省去了齿轮箱、电刷和滑环等薄弱器件，系统的可靠性和运行效率都明显提高，近年来的第国内外研究人员的广泛关注。它与双馈风力发电机组已经成为风电市场的两大主流机型。 磁同步发电机矢量控制策略矢量控制8被称为磁场定向控制，是以永磁发电机的磁场方向为旋转坐标 3 系的基准方向，通过坐标变换将定子电流分解成旋转坐标系下的励磁分量和与之垂直的转矩分量，实现定子电流的解耦控制。在旋转坐标系下，定子电流的 d、 此，矢量控制可以使的交流调速系统的控制与直流调速系统控制相同。交流调速系统的控制性能得到显著的提高。根据定向的磁场矢量的不同可将矢量控制分为 3 种：定子磁场定向控制、转子磁场定向控制和气隙磁场定向控制。 矢量控制可以精确的控制速 度和电机转矩。在直驱式永 磁风力发电机矢量控制系统中，转子位置角用以矢量控制的坐标变换，逆变器的触发信号是通过选择坐标系下 d、 以矢量控制的前提是准确的转子位置。矢量控制应用于永磁风力发电机系统，可以将实际的交流量解耦成为有功分量和无功分量，通过控制可以实现有功功率和无功功率的解耦控制。 功率变流器概述直驱式永磁风力发电系统的控制是通过控制双 流器10完成的，能实现能量双向流动。它是直驱式风力发电系统的核心部分，由机侧变流器和网侧变流器组成，这两部分的硬件结构基本上是一样的，如图 示。它们的控制是相互独立的。机侧变流器根据风速变化来控制永磁同步发电机的转速，使风机可以跟踪风速的变化而运行在最佳叶尖速比 的工况下， 以实现最大风能捕获。根据机侧变流器的矢量控制原理，一般采用 0制，使得发电机的无功功率为零，这样可以使发电机损耗最小。通过改变交轴电流分量以控制发电机转矩的大小，实现速度和输出功率的灵活控制。 bu 功率变流器的结构图 网侧 流器实质上是整流器工作在逆变方式。 它的控制目的是保持直流母线电压恒定，抑制交流侧电流的谐波，实现有功功率和无功功率的调节，使整个风电系统可靠、稳定的运行，将电能稳定的输入电网。 - 4 - 磁同步电机无速度传感器的研究现状 近年来，永磁同步电机由于 具有结构简单、重量轻、体 积小、运行可靠、高能量密度等优点，已经成为交流调速传动领域的研究重点。转子位置信息对调速系统很重要，一般采用机械式传感器来获得，但是这降低了系统的稳定性和可靠性。为了克服机械式传感器给系统带来的问题，国内外学者开始对永磁同步电机无速度传感器控制进行大量的研究。目前，永磁体同步电机的速度估算方法大致可以分为下面几类： 于电机理想模型的开环计算法开环计算法13从永磁同步电机的数学模型出发，通过永磁电机的电压、电流等方程直接计算得到转子位置。常用的有直接计算法、反电动势积分法和基于电感变化估算法。这些算法的优点是计算过程简单，技术成熟，不需要复杂的收敛控制算法，动态响应快。但由于该方法没有闭环、校正环节，所有测量噪声对转子位置的估测影响很大。而且它对电机参数非常敏感，当电机参数受运行环境改变时，计算的准确度受到的影响很大。在低速或者停止期间由于反电动势很低，难以测量，估测产生的误差更大，无法满足高性能控制系统的要求。 于观测器模型的闭环算法随着自动控制技术和电子技 术的发展，国内外学者为提 高速度估算系统的性能，提出了基于各种观测器的闭环算法。按照闭环控制规律，闭环控制系统的输出量取决于输入量，进入稳态后，输入量为零。通过反馈控制，可以保证闭环算法的输入量稳态为零。应用比较广泛的有有扩展卡尔曼滤波器、滑模观测器以及模型参考自适应算法等。卡尔曼滤波器16由美国学者 R E 纪 60 年代提出的一种最小方差意义上的最优预测估计的方法，它的优点是可以有效地削弱随机干扰和测量噪声的影响。 扩展卡尔曼滤波器是卡尔曼滤波在非线性系统中的一种改进。能有效地削弱随机干扰和测量噪声的影响，观测器的输出能很快跟踪系统实际状态，但它的缺点是算法比较复杂，需要矩阵求逆运算，计算量相当大。另一方面，这种方法是建立在对误差和测量噪声的统计特性已知的基础上的， 由于模型复杂、涉及因素较多，使得分析这些参数的工作比较困难，需要通过反复试验才能确定合适的特性参数。滑模观测器19法是基于观测电流与实际电流间的误差来设计滑模观测器，并由电流的误差来重构电机的反电动势、估算转子速度。滑模控制速度观测算法的重点在于滑模面的选择以及滑模增益的选取，既要保证算法的收敛性以及收敛速度，同时也要避免由于增益过大而造成电机运行引入过大的脉动。由于滑 5 模观测器受系统参数变化以及外部扰动的影响小，观测结果具有很好的鲁棒性，它的缺点是滑模变结构控制在本质上是不连续的开关控制，在电机引入额外的电压、电流噪声信号，引起系统发生抖动。尤其是在低速下运行，将会引起比较大的转矩脉动。低速下由于电机的反电动势值较小，且易受系统量测误差的影响，滑模观测器将不能得到很好的观测结果。 模型参考自适应22法(是基于稳定性理论的估算方法。在工程上应用广泛，具有算法简单、易于在数字控制系统实现、具有较快的自适应速度等优点。它主要包括参考模型、可调模型和自适应机构。它的基本原理是将含有待估计参数的方程作为可调模型，将不含未知参数的方程作为参考模型，两个模型具有相同物理意义的输出量。参考模型的输出作为理想的响应，通过合适的自适应律实时调节可调模型的参数，使得两个模型的输出差值为零，此时可调模型的状态与参考模型的状态一致，而可调模型中的角度信息即为实际的角度信息。系统的渐近性有 本文研究的就是基于M 频注入法前面介绍的开环计算法和基 于观测器的闭环算法都需要 电机数学模型，电机参数变化或多或少都影响算法的性能。因此研究人员开始从电机本身结构出发进行研究。高频注入法29是一个典型的例子。它通过给电机注入高频电压或电流，并检测相应的电压 /电流响应来获取转子位置和转速。此种方法要利用电机本身凸极特性或者由饱和引起的凸极效应，因此针对凸极机和隐极机都有相应的高频注入方法。该方法的优点是电机转速和反电动势无关，转速估算范围较宽，能够解决低速下转子位置的估计，它具有对电机参数的变化不敏感，鲁棒性好等优点。缺点是电压注入的方案中对电流信号的滤波影响了电流控制器的动态性能；电流注入需要电流控制器的带宽很大；高频注入法需要施加足够大幅值的电压或电流激励来产生高频信号响应，这会降低逆变器的电压利用率，同时，注入的高频信号会产生额外的电磁转矩，这对电机的正常运行会产生一定影响。 工神经网络的方法基于人工神经网络31速度估算方法是控制科学发 展的一个新的阶段的结果。它是智能控制在速度辨识方法中一种新的思想，由于它摆脱了对电机数学模型的依赖，已经受到研究人员的关注。 人工神经网络由神经元相互 连成网络，从微观结构和功 能上对人脑的抽象、简化，模拟人类智能的一种方法。它的优点是自适应性很强，不依赖控制对象的本体，能够用于复杂的非线性的系统控制中。但是这种方法在理论研究上还不太成熟，其稳定性和收敛性还需要做更深入的研究，并且对硬件要求较高，需要专 - 6 - 门的硬件来支持，所以这种方法正处于起步阶段。但从长远来看其发展前景很广阔。 速度传感器控制技术在永磁同步发电机中的应用 根据风力发电机工作在高原 、沿海等风力资源丰富的地 区，这种地区环境恶劣，对机械式传感器的工作非常不利。而且永磁风力发电机为低速多极对数电机，安装位置 /速度传感器比较困难。所以无位置 /速度对直驱式永磁同步发电机来说是必然选择。目前，国内外学者对直驱式永磁同步发电机无位置传感器矢量控制的研究尚处于起步阶段，文献 33提出了基于锁相环的 无位置传感器矢量控制方法，这种方法实现简单，适应性强，动态响应速度快 ,但估测精度受到测量噪声和电机参数变化的影响很大。文献 34介绍了一种基于滑膜观测器的速度估算方法，该方法具有较强抗外界干扰能力，鲁棒性较强，能在较大的频率范围内准确的估测转子位置和速度信息，但此算法采用砰 外界的电压、电流噪声信号容易引起系统发生抖动。尤其特别在低速下运行，容易产生比较大的转矩脉动。文献 35采用基于 方法，这种方法对电机参数变化的适应较强，但是电流模型中存在微分项，这容易受到电流检测噪声的影响，在实际系统中依然存在不足。 本文提出一种改进的基于 直驱式永磁同步发电机无位置传感器控制方法。针对磁链观测器中纯积分带来的直流偏差和误差积累问题，采用改进型 过其小信号模型分析该方法的稳定性和参数变化对速度估测系统的影响。针对机侧变流器并网前永磁风力发电机的位置和转速估测 ,本文采用锁相环技术。 文的主要研究内容 本文针对大功率永磁风力发电机不便 于安装机械式传感器的问题，对基于永磁风力发电机无速度传感器控制技术进行了研究，为提高算法在各种运行状态下的估算精度和克服磁链观 测中纯积分带来的缺陷，研究了改进型直驱型永磁风力发电机的应用， 从理论分析到仿真和实验验证展开全面、深入的研究。针对并网前 转子位置和速度信息的获取，本文采用锁相环无速度估算方法进行估测。本文主要研究内容安排大致如下： 第一章介绍了直驱式风力发 电研究的现状和无速度传感 器的研究现状，对无速度传感器算法的研究现状进行了概述。接着介绍了无速度传感器方法在直驱风电系统中的应用现状，将锁相环用于并网前转子位置和速度的检测。 第二章介绍了风速模型及风 力机模型，并对风力机性能 进行仿真分析，随后 7 对永磁同步发电系统的各个关键部分进行分析和建模。通过对各个部分的数学模型的分析，不仅能对系统各部分功能有清晰的认识，同时为介绍直驱式永磁风力发电无速度控制系统做好了准备工作。 第三章介绍了基于定子磁链的 法在 的应用， 从 法模型和自适应律的设计方面介绍进行详细的分析。针对磁链观测器中纯积分带来的直流偏差和误差积累问题，分析了几种克服积分器缺点的几种磁链观测方法。本章采用定子磁链自适应观测器的方法，在电压模型观测的定子磁链引入一个反馈量，与电流模型观测的磁链值进行比较，获得一个误差值，利用 节器进行误差校正，这大大提高磁链观测器的精度。本文采用 术对风电系统并网前的位置进行估测。 第四章主要在 直驱式永磁同步发电机的无速度传感器控制系统的仿真模型，通过仿真实验和对仿真结果的分析，验证了算法的正确性和可行性。此外本文还对 术对并网前转子位置信息的获得进行了仿真验证。为了进一步验证算法的正确性和可行性，本章还通过实验室模拟平台上进行了实验，对其硬件设计进行了简单的介绍，通过实验结果的分析，更进一步验证了算法的正确性和可行性。最后可以得出结论 够满足实际中直驱系统电机控制的要求。 - 8 - 第 2 章 直驱型永磁风力发电系统建模与仿真 力机的建模 能的计算 风能是太阳能的另一种表现 形式，它是由太阳能照射地 球表面受热不均，产生温差，引起大气的对流运动而形成的。在分析自然界的风时，需要考虑多个因素，可以根据风电场实测风速资料，得出各风速出现的概率分布，并由此确定几种典型的风速函数。通常用四种成分来模拟风速36基本风阵风渐变风和随机风 风力机是将风能转换为机械 能的主要部件，风速决定了 风力机的动态特性。1926 年德国科学家贝茨 (立了第一个气动理论。根据贝茨的假定，风轮是理想的，气流通过没有受到阻力，且气流通过整个风轮扫掠面是均匀的，速度的方向与风轮轴线一致，可以得出风力机获得最大功率。即 31 （ 因此最大风能利用系数为 （ 式 (为著名的贝茨理论的极限值，这说明由于 能量的损耗，风能利用系数最大不超过 般在 间，其能量损耗为尾流中的旋转动能。 力机的动力学特性 在风力机的运行风速内，风力机特性38简化模型为： ),(),( (式中 P 为风力机实际获得的机械功率，单位为 W； T 为风力机输出转矩，单位为 ； 为空气密度，单位为3 位为 R 为风力机叶轮的半径，单位为 m； 为风力机转速，单位为 风能利用系数，反映风力机吸收利用风能的效率，它是桨距角 和叶尖速比 的函数40,41。 风力利用系数的数学表达式为： 9 风力机分为定浆距和变桨距 2 种。定浆距风力机的浆距角不可调，因而风能利用系数受风速的限制；而变桨距风 力机风能利用系数是桨距角 和叶尖速比 的函数，其特性如图 示。 234554321 图 力机的功率因数与叶尖速比的关系曲线 从图 们可以看出：保持浆距角 不变，不管叶尖速比如何变化，仅存在唯一的风能利用系数最大值，此时的叶尖速比称为最佳叶尖速比；对任意叶尖速比 ，浆距角越小，风能利用系数对越大。 图 力机功率特性曲线 对于变桨距风力机，通过调节浆距可使额定风速以内接近最大值，从而 - 10 - 风力机捕获到最大的风能以得到更多的电能输出。风力机的输入机械转矩特性非常重要，它与风力机的输出机械功率与转速曲线相对应。设定一个风速，取不同的转速计算出相应的 ，由图 到对应的，根据公式 (到该风速下风力机的输出机械功率和转速曲线。根据不同的风速计算风力机的输出功率与转速的对应关系，可以得到风力机输出机械功率特性曲线42，如图 示。 从图 以分析出，风能的利用系数与叶尖速比存在密切关系。每一种风速下都存在一个最大功率输出点，此时的风机转速达到最佳叶尖速比，对应最大风能转换系数当风力机处于恒速运行时，风力机的输出机械功率与风速成正比，但不能保证风力的功率输出达到最大。因此恒速恒频的风力机不能实现最大风能捕获，不能充分地利用风能。而变速恒频风力发电系统则不同，它可以在较宽的风速范围内实时控制风机的速度，始终保持最佳的叶尖速比，在风力发电系统容量的范围内使风能利用率达到最大，如图 线所示。 力机的建模与仿真 为了验证上面分析的正确性， 根据风力机动力学特性， 采用 浆距角 不变时，在不同的风速下，为实现最大风能捕获，需要控制风力机运行在最佳叶尖速比的条件下，因此最大风能系数计算至关重要。根据公式 (立 ),( 型，并将其直接引用人风力机的模型中。 54321 图 力机仿真模型 仿真模型中变量给定值为：浆距角的值为 0，风叶半径为为 35m，模拟变速风速 0m/ss， 为空气密度，采用海拔 1000m 过主导变速风速的最佳