直驱式风力发电机无位置传感器矢量控制

万方数据
第３期
贺艳晖等：直驱式风力发电机无位置传感器矢量控制
３３
为ｄ－ｑ，彳ｌ—ｚ２和０ｌ一０２子空间。
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收稿日期：２００９—０６—２８ 作者简介：贺艳晖（１９８０一），男，博士研究生．研究方向为电力传动、风力发电：
王跃（１９７２一），男，博士，副教授，研究方向为电能质量、电力传动、风力发电、柔性输电： 昊金龙（１９８１一）．男，硕士，研究方向为电力传动、风力发电； 胡维昊（１９８２一），男，博士研究生。研究方向为电力传动、风力发电； 王兆安（１９４５一），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力电子变流技术、电能质量控制技术。
矢量控制；模型参考自适应系统；波波夫超稳定理论；转子初始位置
中图分类号：ＴＭ ３１５；ＴＭ ６１４
文献标志码：Ａ
文章编号：１００７—４４９Ｘ（２０１０）０３—００３１—０８
Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
在过去的２０多年里，多相永磁同步电机引起学 术界和工程界的广泛兴趣，它有许多优点旧Ｊ，如：用 低压器件实现大功率；在供电电压受限时，可用单管 实现大容量；转矩脉动减小，系统动、静态特性提高； 系统整体可靠性提高等。因此，将多相永磁同步发 电机应用在直驱风力发电系统中，可以实现发电机 组低压大功率输出。
ｐｏｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ．Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＤＴＰ—ＰＭＳＧ ｗａｓ
ｂｕｉｌｔ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｖｅｃｔｏｒ ｓｐａｃｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ．Ｍｏｄｅｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ（ＭＲＡＳ）ｗａｓ ｕｓｅｄ
从ＤＴＰ—ＰＭＳＧ的数学模型可以看出。与机电能 量转换相关的分量都投影到ｄ－ｑ子空间，与机电能 量转换无关的分量被投影到其他２个子空间，发电 机的动态方程已完全解耦。
３ ＤＴＰ－ＰＭＳＧ无位置传感器矢量控制
采用转子磁链定向矢量控制，电流控制采用ｉ。 ＝０控制。对于ＤＴＰ．ＰＭＳＧ来说，无位置传感器矢 量控制涉及２个问题；发电机速度的观测和发电机 转子初始位置的检测。 ３．１ ＤＴＰ－ＰＭＳＧ的速度观测
发电小功率实验平台来验证控制算法的有效性和在 风力发电系统中的实用性。
１风力发电系统拓扑结构
本文风力发电系统采用ＤＴＰ—ＰＭＳＧ与风机直接 联接以及变流器并联技术相结合的拓扑结构，如图 ｌ所示。发电机侧的采用２个ＰＷＭ变流器并联形 式，可以提高功率等级，调节发电机输出功率。网侧 也采用２个并网变流器并联形式，实现对并网电流 的有功分量和无功分量的独立调节，并稳定各支路 的直流侧电压。
获得转子初始位置。仿真和实验结果表明该算法能实现风力发电机可靠起动，有很好的速度跟踪
性能和稳态精确度，使发电机能在额定风速下最大限度获取风能，并能稳定运行于恒速和恒功率区
域，且对发电机参数变化不敏感，算法计算量小。
关键词：直驱式风力发电系统；功率控制；双三相永磁同步发电机；矢量空间解耦；无位置传感器
功率控制是风力发电系统的核心，而功率控制 的核心则是发电机的转速控制旧Ｊ。永磁同步电机 矢量控制变频调速系统中，一般需要位置或速度传 感器，但是传感器的存在降低了系统的可靠性，增加 了系统成本。因此，无位置传感器控制技术成为永 磁同步电机调速系统的研究热点。
在多相电机无传感器技术方面，很多学者进行 了研究，提出了很多切实可行的方法Ｈ＿８Ｊ。文献 ［７］研究了两种方法：降阶扰动观测器和自适应全 阶观测器，但只有仿真验证。文献［８］采用四阶卡 尔曼滤波器用来估计磁通和定子电流，用ＲＳＴ调节 器来代替传统ＰＩ调节器，该方法非常复杂，而且需 要改变传统的控制结构。
ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｌａｗ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ Ｐｏｐｏｖ ｓｕｐｅｒ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｐｅｅｄ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｒｏｔｏｒ ｉｎｉｔｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｅｘｃｉｔｉｎｇ ｓｔａｔｏｒ ｗｉｎｄｉｎｇｓ ｗｉｔｈ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅ— ｓｕｈｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｒｅｌｉａｂｌｙ ｒｅａｌｉｚｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｔａｒｔｉｎｇ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｉｔ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｓｐｅｅｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｔｅａｄｙ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅｒｅｂｙ，ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｃａｎ ｃａｐ— ｔｕｒｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｂｅｌｏｗ ｒａｔｅｄ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ １３．１ｎ ｓｔａｂｌｙ ｉｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｏｗｅｒ ｒｅｇｉｏｎｓ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｒｏｂｕｓｔ ｔｏ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒｓ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔ—ｄｒｉｖｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｕａｌ·ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｒｍａｇ－ ｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｖｅｃｔｏｒ ｓｐａｃｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｍｏｄｅｌ ｒｅｆｅｒ－ ｅｎｃｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ；Ｐｏｐｏｖ ｓｕｐｅｒ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ；ｒｏｔｏｒ ｉｎｉｔｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ
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（５）
式中：ｉ１和乞为定子电流在彳，一ｚ：子空间分量；ｕ；。和
％为定子电压在彳ｔ一名ｚ子空间分量；“为定子漏感。 ３）在Ｏ。一Ｏ：子空间的数学模型
０。一０：子空间的数学模型为
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（６）
式中：ｉ。，和ｉ。：为定子电流在０。一０２子空间分量；“ｏ。 和“。，为定子电压在０。一０：子空间分量。
万方数据
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电机与控制学报
第１４卷
０引 言
永磁直驱型风力发电系统采用风机直接驱动多 极低速永磁同步发电机发电，然后通过功率变换电 路将电能转换后并入电网，省去了双馈式风力发电 系统中故障率较高的齿轮箱，使系统效率大为提高， 有效地抑制了噪声…。然而直驱型风力发电系统 需要全功率变流器，目前风电场实际运行的风电机 组基本上都是６９０ Ｖ额定电压，为了实现机组的低 压大功率输出，功率器件需要承受很大的电流。
图１直驱式风力发电系统拓扑结构
隐１ Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ０ｆ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ·ｄｒｉｖｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ
功率控制是风力发电系统的核心，需根据不同 的风况分阶段来控制ＤＴＰ—ＰＭＳＧ的转速。第一阶段 是起动阶段，发电机转速从静止上升到切入速度。 第二阶段是风力发电机运行在额定风速以下的区 域，分为变速运行和恒速运行２个区域：变速运行区 域发电机进行最大功率点跟踪（ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ，ＭＰＰＴ）控制，风机工作在最优叶尖速 比，随着风速的增加，发电机转速逐渐升高，输出功 率也随之增加，当发电机转速达到允许的最大值，只 要发电机功率低于允许的最大值，转速保持恒定，就 进入恒速运行区域。如果风速继续升高，发电机输 出功率也逐渐增大，当风速到达额定风速后，发电机 达到功率极限，此后电机转速随风速升高而下降，以 维持功率恒定，发电机进入恒功率运行区域。以上 即为风力发电系统的功率控制的基本原理旧Ｊ。对 于直驱系统，控制了发电机的转速也就控制了风力 机的转速，从而也就控制了风力机的输出功率。
为实现大功率直驱型风力发电系统中发电机低 压大功率输出，本文把双三相永磁同步发电机（ｄｕ．
ａｌ—ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａ－
ｔｏｒ，ＤＴＰ—ＰＭＳＧ）和变流器并联技术应用到风力发电 系统。为了进一步提高系统的可靠性和降低成本， 在分析直驱型变速恒频风力发电系统功率控制的基 础上，详细讨论了基于模型参考自适应系统（ｍｏｄｅｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ，ＭＲＡＳ）的ＤＴＰ—ＰＭＳＧ无位 置传感器矢量控制策略。该策略根据ＤＴＰ—ＰＭＳＧ在 同步旋转坐标系下的数学模型，把发电机本身作为 参考模型，电流模型作为可调模型，利用Ｐｏｐｏｖ超稳 定理论推导出速度辨识的ＭＢＡＳ自适应律，通过对 定子进行直流激励来确定转子初始位置，并详细分 析了发电机参数误差对速度估计的影响。最后，搭 建以ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＤＳＰ为控制核心的直驱式风力
器并联技术相结合的拓扑结构。针对位置传感器故障率高、易受干扰等问题，在风力发电机功率控
制的基础上提出一种双三相永磁同步发电机无位置传感器矢量控制算法。根据矢量空间解耦原理
建立双三相永磁同步发电机的数学模型。利用模型参考自适应系统估计发电机转速．依据波波夫
超稳定理论推导出自适应律，分析发电机参数变化对速度估计的影响。通过对电机定子直流励磁
２ ＤＴＰ－ＰＭＳＧ的数学模型
六相逆变器驱动的ＤＴＰ．ＰＭＳＧ的结构框图如图 ２所示，六相定子绕组在定子铁心圆周上呈双Ｙ移 ３０。分布，２个Ｙ形绕组在空间上相差３０。电角度，对 应的相电流在时间相位上相差３００电角度。
根据矢量空间解耦原理【ｔｏ］，ＤＴＰ．ＰＭＳＧ的数学 模型可以分解为３个相互垂直的子空间模型，分别
ＨＥ Ｙａｎ—ｈｕｉ， ＷＡＮＧ Ｙｕｅ， ＷＵ Ｊｉｎ—ｌｏｎｇ，ＨＵ Ｗｅｉ·ｈａｏ， ＷＡＮＧ Ｚｈａｏ－ａｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ，ｄｉｒｅｃｔ—ｄｒｉｖｅ ｗｉｎｄ ห้องสมุดไป่ตู้ｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｔｈｅ ｄｕａｌ－－ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏ·－
第１４卷第３期 ２０１０年３月
电机 与控 制 学报
ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ
Ｖ０１．１４ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１０
直驱式风力发电机无位置传感器矢量控制
贺艳晖， 王跃， 吴金龙， 胡维昊， 王兆安
（西安交通大学电气工程学院，陕西西安７１００４９）
摘 要：为满足低压大功率输出的要求，直驱式风力发电系统采用双三相永磁同步发电机和变流
ｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＤＴＰ—ＰＭＳＧ）ａｎｄ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｖｅｎｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｈｉｇｈ ｆａｉｌｕｒｅ ｒａｔｅ ａｎｄ ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｗａｓ ｐｒｏ—