無(wú)位置傳感器控制技術(shù)在直驅(qū)變流器中的應(yīng)用

摘要：直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組具有能量轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、并網(wǎng)功率控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角是直驅(qū)變流器控制策略中的重要參數(shù)。介紹了一種基于無(wú)位置傳感器控制技術(shù)的轉(zhuǎn)速和位置測(cè)量方法，該方法簡(jiǎn)單、快速、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。闡述了直驅(qū)型風(fēng)電變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，以及無(wú)位置傳感器控制技術(shù)的測(cè)量原理和控制方法。通過(guò)Matlab／Simulink仿真和現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用，驗(yàn)證了該控制技術(shù)的有效性和可靠性。
關(guān)鍵詞：無(wú)位置傳感器；變流器；直驅(qū)；永磁同步電機(jī)

1 引言
    直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組具有能量轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、并網(wǎng)功率控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)前景。為實(shí)現(xiàn)直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組高性能的閉環(huán)矢量控制，需獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)位置。通常采用成本合理、性能良好的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的電流、電壓等可測(cè)物理量進(jìn)行位置和速度估算。
    無(wú)位置傳感器檢測(cè)方法包括：基于永磁同步電機(jī)(PMSM)基本電磁關(guān)系的方法、三相端電壓和電流計(jì)算、基于反電動(dòng)勢(shì)或定子磁鏈估算、基于各種觀測(cè)器的估算方法。其中基于反電勢(shì)進(jìn)行轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置估計(jì)的方法，具有簡(jiǎn)單、快速和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。

2 直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組控制概述
2．1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型
    這里采用基于矢量控制的控制策略，因此PMSM數(shù)學(xué)模型需在d，q坐標(biāo)系下建立。圖1示出PMSM數(shù)學(xué)模型及其在d，q坐標(biāo)下的矢量圖。ωT為電機(jī)機(jī)械角速度。

    由圖1可知。電壓方程為：
   
   
2．2 控制策略
    PMSM控制策略原理包括基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制和基于定子磁場(chǎng)定向的直接轉(zhuǎn)矩控制兩類(lèi)，針對(duì)不同控制目標(biāo)，兩類(lèi)控制策略的實(shí)現(xiàn)方法不同。這里研究矢量控制，以id=0策略為例，將d軸電流分量控制為零，根據(jù)此控制思路可得最新的轉(zhuǎn)矩方程：Te=1．5pψfisq，可見(jiàn)，采用這種控制思路，電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小只與q軸電流、主磁鏈成正比，故可采用轉(zhuǎn)矩外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制策略，其中轉(zhuǎn)矩外環(huán)采用開(kāi)環(huán)控制模式，控制流程見(jiàn)圖2。

    在圖2中，忽略Rs的影響，ωeψf為q軸電壓前饋量，它能降低機(jī)側(cè)解鎖瞬間電流的沖擊，在控制過(guò)程中較關(guān)鍵。

3 無(wú)位置傳感器控制技術(shù)
3．1 檢測(cè)原理
    矢量控制中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置可通過(guò)電機(jī)反電勢(shì)的信號(hào)鎖相得到。但由于電機(jī)反電勢(shì)不能直接測(cè)量，僅能通過(guò)測(cè)量電機(jī)機(jī)端電壓推導(dǎo)電機(jī)反電勢(shì)，從而得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置。
    根據(jù)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和d，q坐標(biāo)變換，電機(jī)機(jī)端電壓與內(nèi)電勢(shì)間的角度關(guān)系如圖3所示。

    由于采用id=0控制策略，Esq對(duì)應(yīng)內(nèi)電勢(shì)電壓在轉(zhuǎn)子位置角下的q軸，Esd=0。△θ為兩者之間的相位差。根據(jù)圖3可知：
    △θ=(usd+Rsisd-ωLsdisq)／(usq+Rsisq+ωLsqisd)            (5)
    當(dāng)△θ=0時(shí)，此時(shí)得到的相位自動(dòng)鎖到電機(jī)內(nèi)電勢(shì)的相位，從而滿(mǎn)足控制目的。
3．2 控制策略
    根據(jù)公式計(jì)算，通過(guò)采集電機(jī)機(jī)端三相電壓和三相電流，任意給定鎖相環(huán)，經(jīng)坐標(biāo)變換得到d，q軸分量，再通過(guò)計(jì)算△θ值，利用PI控制原理，控制△θ=0，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤電機(jī)內(nèi)電勢(shì)相位控制策略?？刂屏鞒炭驁D如圖4所示。

4 仿真研究
    為驗(yàn)證控制算法的正確性，搭建Matlab／Simulink仿真模型，仿真模型包括PMSM和一個(gè)背靠背三相變流器。其中PMSM可直接得到轉(zhuǎn)子速度和實(shí)時(shí)位置，可將發(fā)電機(jī)內(nèi)部讀出的位置與基于無(wú)位置傳感器控制方法得到的位置進(jìn)行比較，以驗(yàn)證控制算法的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)仿真參數(shù)：直流電壓1 100 V，電機(jī)容量1 MW，電機(jī)電壓690 V，電機(jī)轉(zhuǎn)速18 r·min-1，電機(jī)極對(duì)數(shù)30，電機(jī)同步電抗Ld=1．9mH，Lq=3．22 mH。通過(guò)仿真，觀察轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)值與估計(jì)值間的差別。
    為驗(yàn)證轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)在1 s前控制算法采用的轉(zhuǎn)子位置為電機(jī)實(shí)測(cè)值投入，1s后切換到估計(jì)值，觀察切換瞬間對(duì)控制過(guò)程的沖擊，得到的仿真波形如圖5所示。

    由圖5a可見(jiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速估計(jì)值均能很快跟蹤到實(shí)測(cè)值，誤差很小，能取代實(shí)測(cè)值。由圖5b可見(jiàn)，在1 s前，控制策略采用實(shí)測(cè)值，機(jī)端電壓和電流較穩(wěn)定；1 s后切換到估計(jì)值，電壓和電流切換較穩(wěn)定，未出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了估計(jì)值能很好地跟蹤實(shí)測(cè)值。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
    根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，電機(jī)轉(zhuǎn)速17 r·min-1，機(jī)側(cè)傳遞功率1．09 MW，觀察機(jī)側(cè)變流器運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

    由圖6a可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子電流(反向)與轉(zhuǎn)子位置角對(duì)齊，真實(shí)反映電機(jī)內(nèi)電勢(shì)的相位。由圖6b可見(jiàn)，機(jī)側(cè)變流器傳輸功率為1．09 MW，運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)端功率因數(shù)正常。

6 結(jié)論
    針對(duì)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組廣闊的市場(chǎng)前景，提出一種基于機(jī)端內(nèi)電勢(shì)檢測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置的無(wú)位置傳感器控制方法。重點(diǎn)介紹了該方法的實(shí)現(xiàn)原理和控制策略，并在Matlab／Simulink仿真環(huán)境下搭建模型，驗(yàn)證了該方法的有效性，并將其運(yùn)用到實(shí)際工程中，效果顯著，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。
    實(shí)踐證明，該方法在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，應(yīng)用效果明顯，控制精度滿(mǎn)足要求，是無(wú)位置傳感器控制技術(shù)研究的重要方向。