CN101393699B - 双凸极电机的风轮机模拟器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种双凸极电机的风轮机模拟器及其控制方法，属风轮机模拟器及其控制方法。本发明双凸极电机的风轮模拟器包括双凸极电机、主功率电路和控制电路，其中主功率电路包括电源和IPM，控制电路包括隔离电路、故障检测电路、电流电压采样电路、位置检测电路、PWM控制电路、过流过压保护电路、ADC模块、转速计算电路、逻辑控制电路、转矩观测器、捕获单元、转矩环、滞环比较器和风力机数学模型。本发明所述控制方法采用转矩内环，转速外环双环控制方式，通过参考转矩与反馈转矩比较，间接控制双凸极电机电流大小，以实现风轮机的模拟。本发明结构简单、出力大，可以模拟风洞或风场条件下各种风速模型，具有很大的灵活性。

Description

双凸极电机的风轮机模拟器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种风轮机模拟器及其控制方法，尤其涉及一种双凸极电机的风轮机模拟器及其控制方法。

背景技术

风能是一种无污染、可再生绿色能源。开发风能，大力发展风力发电，对于解决全球性的能源危机和环境危机具有重要意义。近几十年来，风力发电技术得到了飞速发展，变桨矩控制、变速恒频发电、无齿轮箱直驱等众多先进技术从实验室走向现场，得到了广泛应用。实验室先期探讨对风力发电技术发展起着重要的引导作用，伴随着科研人员的艰辛探索，更多的新技术和新理论在实验室里被孕育和验证。但是由于条件的限制，大多数实验室不具备风场环境或风轮机，或者由于频繁进行风洞试验的成本过于昂贵，使得风力发电系统开发成本高，研制周期长，这为风力发电技术的实验室研究带来了很大的困难。实验室环境下风力发电技术研究迫切需要可以用来代替风洞和风轮机的模拟器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷提出一种双凸极电机的风轮机模拟器及其控制方法。

本发明双凸极电机的风轮机模拟器，由双凸极电机、主功率电路和控制电路组成，其中主功率电路包括电源和IPM，电源的两个输出端分别与IPM的两个输入端连接，IPM的三个输出端分别与双凸极电机的三个输入端连接，所述控制电路包括隔离电路、故障检测电路、电流电压采样电路、位置检测电路、PWM控制电路、过流过压保护电路、ADC模块、转速计算电路、逻辑控制电路、转矩观测器、捕获单元、转矩环、滞环比较器和风力机数学模型，其中故障检测电路的输入端接IPM的输出端，故障检测电路的输出端接过流过压保护电路的输入端，过流过压保护电路的输出端接逻辑控制电路的输入端；电流电压采样电路的三个输入端分别与IPM的三个输出端连接，电流电压采样电路的输出端与ADC模块的输入端连接，ADC模块的两个输出端分别与转矩观测器的两个输入端连接；位置检测电路的输入端与双凸极电机的输出端连接，位置检测电路的一个输出端与捕获单元的输入端连接，捕获单元的输出端与逻辑控制电路的输入端连接连接，位置检测电路的另一个输出端与转速计算电路的输入端连接，转速计算电路的输出端分别与转矩观测器的输入端、风力机数学模型的输入端连接；风力机数学模型的输出端和转矩观测器的输出端分别与转矩环的输入端连接，转矩环的输出端通过滞环比较器与逻辑控制电路的输入端连接，逻辑控制电路的输出端依次通过PWM控制电路、隔离电路与IPM的输入端连接。

双凸极电机的风轮机模拟器的控制方法，采用电源通过IPM驱动双凸极电机，采用位置检测电路检测双凸极电机得到双凸极电机的转子位置角θ，将双凸极电机的转子位置角θ经过捕获单元得到脉冲信号，将双凸极电机的转子位置角θ经过转速计算电路得到双凸极电机的转子角速度ω；采用电流电压采样电路采集双凸极电机的三相输入电压和三相输入电流，将采集的双凸极电机的三相输入电压和三相输入电流经过ADC模块得到相电压和相电流，将所述双凸极电机的转子角速度ω和ADC模块输出的相电压和相电流通过转矩观测器得到实时反馈转矩T_e，将所述双凸极电机的转子角速度ω和给定风速V经过风力机数学模型得到双凸极电机的参考转矩

，将双凸极电机的实时反馈转矩T_e和参考转矩依次经过转矩环、滞环比较器得到阶跃信号；采用故障检测电路检测IPM得到双凸极电机的故障信号，将双凸极电机的故障信号经过过流过压保护电路得到高低电平信号；将所述脉冲信号、阶跃信号、高低电平信号经过逻辑控制电路得到激励信号，将激励信号经过隔离电路得到IPM的驱动信号用于控制IPM输出的驱动电压和驱动电流即双凸极电机的三相输入电压和电流；其中转矩观测器的构建包括如下步骤：

a)采用转矩观测器接收所述转速计算电路输出的双凸极电机的转子角速度ω，ADC模块输出的相电压u_p和相电流i_p，p为双凸极电机三相绕组中的一相绕组；

b)构建电压方程、磁链方程和转矩方程分别为：

$u_p=R_p\·i_p+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_p}{\mathrm{dt}},$ ψ_p＝ψ_pr+ψ_pe， $T_p=T_{\mathrm{pr}}+T_{\mathrm{pe}}=\frac{1}{2}\·{i_p}^2\·\frac{{\mathrm{dL}}_P}{\mathrm{d\θ}}+i_p\·i_f\·\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{pf}}}{\mathrm{d\θ}},$

其中，R_p为相电阻，ψ_p代表磁链，ψ_pr代表相磁链；ψ_pe代表励磁磁链，T_p为转矩，T_pr为磁阻转矩，T_pe为励磁转矩，i_f为励磁电流，L_p为自感，L_pf为互感，θ为转子位置角；

c)励磁磁链与相磁链的比值为一常数k，即 $k=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pe}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}};$ 当忽略绕组内阻Rp得到相电压为：

$u_p=R_p\·i_p+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_p}{\mathrm{dt}}\≈\frac{{\mathrm{d\ψ}}_p}{\mathrm{dt}}$

$=\frac{d({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pe}})}{\mathrm{dt}}=(1+k)\·\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{pr}}}{\mathrm{dt}},$

$=(1+k)\·\frac{\∂{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}}{\∂\mathrm{\θ}}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}=(1+k)\·\frac{\∂{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}}{\∂\mathrm{\θ}}\mathrm{\ω}$

转矩为： $T_p=\frac{1/2+k}{1+k}\·i_p\·u_p/\mathrm{\ω};$

d)输出转矩为： $T_e=\frac{\frac{1/2+k}{1+k}\×(i_a\×u_a+i_b\×u_b+i_c\×u_c)}{\mathrm{\ω}},$ 其中i_a为a相绕组相电流，u_a为a相绕组相电压，i_b为b相绕组相电流，u_b为b相绕组相电压，i_c为c相绕组相电流，u_c为c相绕组相电压。

本发明所述的双凸极电机结构简单、出力大，因此在进行大功率或者较大功率模拟实验时，采用双凸极电机的风轮机模拟器有利用简化模拟系统结构、降低成本。本发明可以利用人为风速给定来模拟风洞或风场条件下各种风速模型，具有很大的灵活性，节省了风洞实验的研究资金，缩短了风力发电技术的研究周期。本发明利用风速和转速求得风轮机特性，用来控制模拟器的转矩给定，采用转矩内环实现风轮机的模拟，为风轮机的前期设计节省了研究时间，带来了很大方便。

附图说明

图1：基于双凸极电机的风轮机模拟器系统框图；

图2：模拟风电场条件下各种风速模型图；

图3：实际风轮机转矩特性曲线图；

图4：模拟风轮机转矩特性曲线图。

具体实施方式

如图1所示。一种双凸极电机的风轮机模拟器，由双凸极电机、主功率电路和控制电路组成，其中主功率电路包括电源和IPM，电源的两个输出端分别与IPM的两个输入端连接，IPM的三个输出端分别与双凸极电机的三个输入端连接，所述控制电路包括隔离电路、故障检测电路、电流电压采样电路、位置检测电路、PWM控制电路、过流过压保护电路、ADC模块、转速计算电路、逻辑控制电路、转矩观测器、捕获单元、转矩环、滞环比较器和风力机数学模型，其中故障检测电路的输入端接IPM的输出端，故障检测电路的输出端接过流过压保护电路的输入端，过流过压保护电路的输出端接逻辑控制电路的输入端；电流电压采样电路的三个输入端分别与IPM的三个输出端连接，电流电压采样电路的输出端与ADC模块的输入端连接，ADC模块的两个输出端分别与转矩观测器的两个输入端连接；位置检测电路的输入端与双凸极电机的输出端连接，位置检测电路的一个输出端与捕获单元的输入端连接，捕获单元的输出端与逻辑控制电路的输入端连接连接，位置检测电路的另一个输出端与转速计算电路的输入端连接，转速计算电路的输出端分别与转矩观测器的输入端、风力机数学模型的输入端连接；风力机数学模型的输出端和转矩观测器的输出端分别与转矩环的输入端连接，转矩环的输出端通过滞环比较器与逻辑控制电路的输入端连接，逻辑控制电路的输出端依次通过PWM控制电路、隔离电路与IPM的输入端连接。

双凸极电机的风轮机模拟器的控制方法，采用电源通过IPM驱动双凸极电机，采用位置检测电路检测双凸极电机得到双凸极电机的转子位置角θ，将双凸极电机的转子位置角θ经过捕获单元得到脉冲信号，将双凸极电机的转子位置角θ经过转速计算电路得到双凸极电机的转子角速度ω；采用电流电压采样电路采集双凸极电机的三相输入电压和电流，将采集的双凸极电机的三相输入电压和电流经过ADC模块得到相电压和相电流，将所述双凸极电机的转子角速度ω和ADC模块输出的相电压和相电流通过转矩观测器得到实时反馈转矩T_e，将所述双凸极电机的转子角速度ω和给定风速V经过风力机数学模型得到双凸极电机的参考转矩

将双凸极电机的实时反馈转矩T_e和参考转矩

依次经过转矩环、滞环比较器得到阶跃信号；采用故障检测电路检测IPM得到双凸极电机的故障信号，将双凸极电机的故障信号经过过流过压保护电路得到高低电平信号；将所述脉冲信号、阶跃信号、高低电平信号经过逻辑控制电路得到激励信号，将激励信号经过隔离电路得到IPM的驱动信号用于控制IPM输出的驱动电压和驱动电流即双凸极电机的三相输入电压和电流；其中转矩观测器的构建包括如下步骤：

a)采用转矩观测器接收所述转速计算电路输出的双凸极电机的转子角速度ω，ADC模块输出的相电压u_p和相电流i_p，p为双凸极电机三相绕组中的一相绕组；

b)构建电压方程、磁链方程和转矩方程分别为：

$u_p=R_p\·i_p+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_p}{\mathrm{dt}},$ ψ_p＝ψ_pr+ψ_pe， $T_p=T_{\mathrm{pr}}+T_{\mathrm{pe}}=\frac{1}{2}\·{i_p}^2\·\frac{{\mathrm{dL}}_P}{\mathrm{d\θ}}+i_p\·i_f\·\frac{{\mathrm{dL}}_{\mathrm{pf}}}{\mathrm{d\θ}},$

其中，R_p为相电阻，ψ_p代表磁链，ψ_pr代表相磁链；ψ_pe代表励磁磁链，T_p为转矩，T_pr为磁阻转矩，T_pe为励磁转矩，i_f为励磁电流，L_p为自感，L_pf为互感，θ为转子位置角；

c)励磁磁链与相磁链的比值为一常数k，即 $k=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pe}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}};$ 当忽略绕组内阻Rp得到相电压为：

$u_p=R_p\·i_p+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_p}{\mathrm{dt}}\≈\frac{{\mathrm{d\ψ}}_p}{\mathrm{dt}}$

$=\frac{d({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pe}})}{\mathrm{dt}}=(1+k)\·\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{pr}}}{\mathrm{dt}},$

$=(1+k)\·\frac{\∂{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}}{\∂\mathrm{\θ}}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}=(1+k)\·\frac{\∂{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}}{\∂\mathrm{\θ}}\mathrm{\ω}$

转矩为： $T_p=\frac{1/2+k}{1+k}\·i_p\·u_p/\mathrm{\ω};$

d)输出转矩为： $T_e=\frac{\frac{1/2+k}{1+k}\×(i_a\×u_a+i_b\×u_b+i_c\×u_c)}{\mathrm{\ω}},$ 其中i_a为a相绕组相电流，u_a为a相绕组相电压，i_b为b相绕组相电流，u_b为b相绕组相电压，i_c为c相绕组相电流，u_c为c相绕组相电压。

本发明提出的新型基于双凸极电机的风轮机模拟器是由双凸极电机、主功率电路和控制电路三部分构成，系统框图如图1所示。控制系统与传统电流内环、转速外环的控制方式不同，基于双凸极电机的风轮机模拟器控制系统采用转矩内环，转速外环双环控制方式。通过采样风速与风轮机模拟器转速，根据数字信号处理芯片软件计算得到参考转矩。设计实时转矩观测器，通过采样相电流、相电压与风轮机模拟器转子角速度，得到实时反馈转矩。最后通过参考转矩与反馈转矩比较，间接控制双凸极电机电流大小，以实现风轮机的模拟。

如图2所示，本发明采用正弦函数分别与常数、阶跃函数、正态概率密度函数叠加，模拟实际风场环境的随机风、渐变风和随机风，风速V在实施前已经经过函数叠加模拟得到。

图3为实测风轮机特性曲线，风轮机特性指在不同风速和不同转速下风轮机的输出功率或者输出转矩的变化特性。利用数字信号处理芯片来记录风轮机特性曲线，在不同风速模型、不同转速下经过软件查表计算求得风轮机的参考输出转矩。基于双凸极电机的风轮机模拟器模拟风轮机特性结果如图4所示。

本文提出DSEM新型转矩内环控制策略，即采用转速外环，转矩内环的新型双环结构，通过转矩内环加换向角度优化方式抑制DSEM换向转矩脉动的方法。

Claims (2)

1.一种双凸极电机的风轮机模拟器，由双凸极电机、主功率电路和控制电路组成，其中主功率电路包括电源和IPM，电源的两个输出端分别与IPM的两个输入端连接，IPM的三个输出端分别与双凸极电机的三个输入端连接，其特征在于所述控制电路包括隔离电路、故障检测电路、电流电压采样电路、位置检测电路、PWM控制电路、过流过压保护电路、ADC模块、转速计算电路、逻辑控制电路、转矩观测器、捕获单元、转矩环、滞环比较器和风力机数学模型，其中故障检测电路的输入端接IPM的输出端，故障检测电路的输出端接过流过压保护电路的输入端，过流过压保护电路的输出端接逻辑控制电路的输入端；电流电压采样电路的三个输入端分别与IPM的三个输出端连接，电流电压采样电路的输出端与ADC模块的输入端连接，ADC模块的两个输出端分别与转矩观测器的两个输入端连接；位置检测电路的输入端与双凸极电机的输出端连接，位置检测电路的一个输出端与捕获单元的输入端连接，捕获单元的输出端与逻辑控制电路的输入端连接连接，位置检测电路的另一个输出端与转速计算电路的输入端连接，转速计算电路的输出端分别与转矩观测器的输入端、风力机数学模型的输入端连接；风力机数学模型的输出端和转矩观测器的输出端分别与转矩环的输入端连接，转矩环的输出端通过滞环比较器与逻辑控制电路的输入端连接，逻辑控制电路的输出端依次通过PWM控制电路、隔离电路与IPM的输入端连接。

2.一种基于权利要求1所述的双凸极电机的风轮机模拟器的控制方法，采用电源通过IPM驱动双凸极电机，其特征在于采用位置检测电路检测双凸极电机得到双凸极电机的转子位置角θ，将双凸极电机的转子位置角θ经过捕获单元得到脉冲信号，将双凸极电机的转子位置角θ经过转速计算电路得到双凸极电机的转子角速度ω；采用电流电压采样电路采集双凸极电机的三相输入电压和三相输入电流，将采集的双凸极电机的三相输入电压和三相输入电流经过ADC模块得到相电压和相电流，将所述双凸极电机的转子角速度ω和ADC模块输出的相电压和相电流通过转矩观测器得到实时反馈转矩T_e，将所述双凸极电机的转子角速度ω和给定风速V经过风力机数学模型得到双凸极电机的参考转矩

，将双凸极电机的实时反馈转矩T_e和参考转矩

依次经过转矩环、滞环比较器得到阶跃信号；采用故障检测电路检测IPM得到双凸极电机的故障信号，将双凸极电机的故障信号经过过流过压保护电路得到高低电平信号；将所述脉冲信号、阶跃信号、高低电平信号经过逻辑控制电路得到激励信号，将激励信号经过隔离电路得到IPM的驱动信号用于控制IPM输出的驱动电压和驱动电流即双凸极电机的三相输入电压和电流；其中转矩观测器的构建包括如下步骤：

a)采用转矩观测器接收所述转速计算电路输出的双凸极电机的转子角速度ω，ADC模块输出的相电压u_p和相电流i_p，p为双凸极电机三相绕组中的一相绕组，三相绕组即a相绕组、b相绕组和c相绕组；

b)构建电压方程、磁链方程和转矩方程分别为：

$u_p=R_p\·i_p+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_p}{\mathrm{dt}},$ ψ_p＝ψ_pr+ψ_pe， $T_p=T_{\mathrm{pr}}+T_{\mathrm{pe}}=\frac{1}{2}\·{i_p}^2\·\frac{d{L}_p}{\mathrm{d\θ}}+i_p\·i_f\·\frac{d{L}_{\mathrm{pf}}}{\mathrm{d\θ}},$

其中，R_p为相电阻，ψ_p代表磁链，ψ_pr代表相磁链；ψ_pe代表励磁磁链，T_p为转矩，T_pr为磁阻转矩，T_pe为励磁转矩，i_f为励磁电流，L_p为自感，L_pf为互感，θ为转子位置角；

c)励磁磁链与相磁链的比值为一常数k，即 $k=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pe}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}}$ ；当忽略绕组内阻Rp得到相电压为：

$u_p=R_p\·i_p+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_p}{\mathrm{dt}}\≈\frac{d{\mathrm{\ψ}}_p}{\mathrm{dt}}$

$=\frac{d({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pe}})}{\mathrm{dt}}=(1+k)\·\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}}{\mathrm{dt}},$

$=(1+k)\·\frac{\∂{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}}{\∂\mathrm{\θ}}\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}=(1+k)\·\frac{\∂{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pr}}}{\∂\mathrm{\θ}}\mathrm{\ω}$

转矩为： $T_p=\frac{1/2+k}{1+k}\·i_p\·u_p/\mathrm{\ω};$

d)输出转矩为： $T_e=\frac{\frac{1/2+k}{1+k}\×(i_a\×u_a+i_b\×u_b+i_c\×u_c)}{\mathrm{\ω}},$ 其中i_a为a相绕组相电流，u_a为a相绕组相电压，i_b为b相绕组相电流，u_b为b相绕组相电压，i_c为c相绕组相电流，u_c为c相绕组相电压。

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