CN101771378A - 一种同步电机无速度传感器的快速启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同步电机无速度传感器的快速启动方法，(1)系统控制器释放机组刹车，打开桨叶，风机在桨叶的带动下，开始旋转；(2)当电机转速达到切入转速后，系统控制器给电机侧变流器发出启动指令；(3)系统控制器将电机的定子输出端短路，并检测定子短路电流i_a，i_b，i_c；(4)根据检测的电机定子短路电流i_a，i_b，i_c，计算电机转子位置角θ_r和转速ω_r(5)根据步骤(4)计算出的电机转子位置角θ_r和转速ω_r，更新无速度传感器控制策略中的相关变量初始值，并启动无速度传感器控制策略，实现对电机的启动。通过在电机启动前，对电机控制策略中的转速和转子位置进行初始化，加快无速度传感器控制策略的收敛，实现快速启动的。

Description

一种同步电机无速度传感器的快速启动方法

技术领域

本发明涉及一种同步电机无速度传感器的快速启动方法，该方法可以在永磁同步直驱风力发电机组启动前，对转速不为零的永磁同步电机的转速和转子位置信息进行初步估算，从而减小机组的启动电流，加快无速度传感器控制策略收敛的快速性，实现快速启动，属于风力发电技术领域。

背景技术

在永磁同步直驱风力发电机组中，为了提高传动系统的可靠性，通常采用无速度传感器控制策略。这是因为在风力发电机组中，无速度传感器控制策略非常具有优势。第一，兆瓦级永磁同步直驱风力发电机组中，在温度、湿度、震动等恶劣环境条件下，对速度传感器的要求较高，增加了机组的维护成本，降低了可靠性。而且速度传感器在外转子永磁同步发电机上，难以安装，影响了其应用。第二，不存在电机的零速或者低速启动问题，而该问题是无速度传感器控制中最难和最不稳定的部分。永磁同步风力发电机的切入转速一般在额定转速的15％～30％左右，永磁同步电机的反电动势已经足够大，有利于无速度传感器控制策略对电机转速和转子位置角的估算。第三，永磁同步直驱风电机组的功率随着转速的增加而增大，即在低转速时发出的功率较小，高转速时发出的功率较大。对无速度传感器控制策略来说，转速越高，对电机转速和转子位置角的估算越准确，对风电机组系统的影响越小。第四，对于大容量的永磁同步直驱风电机组，通常电机设计为多套独立绕组，采用多台变流器并联运行，每台变流器分别对各套电机绕组独立控制。采用无速度传感器控制策略后，避免了各台变流器间的高速通信，提高了系统可靠性。

综上所述，为了提高永磁同步直驱风电机组的可靠性，降低系统的维护成本，在兆瓦级永磁同步直驱风电机组中，通常采用无速度传感器控制策略。

关于永磁同步电机无速度传感器控制技术，国内外提出了很多相应的方法，归纳起来大概分为三类。一类是基于电机理想模型的开环计算方法，包括直接计算法和反电动势积分法。第二类是基于各种观测器模型的闭环算法，包括扩展卡尔曼滤波法、模型参考自适应法和滑模观测器等。第三类是基于电机非理想特性的算法，以高频注入法为代表。

以上各种永磁同步电机无速度传感器控制方法，应用在永磁同步直驱风力发电机组上，都存在一个问题，那就是在电机启动过程中，不能对电机转速和转子位置进行快速估算。由于永磁同步电机启动时，已经有一定的电机转速，其电机反电动势并不为零。而启动前变流器并不知道此时电机的转速、转子位置、反电动势的幅值和相位等信息，要靠给永磁电机定子端施加一定的电压，然后把电机定子电流的信息反馈给无速度传感器控制算法，经过计算后再得到电机的转速和转子位置信息。变流器所施加的电压，如果和电机反电动势的幅值、相位相差较大，就会造成电机瞬时过流，给电机施加一个较大的转矩，造成风电机组震动，对机组的机械传动系统造成不利影响。

发明内容

本发明的发明目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种同步电机无速度传感器的快速启动方法，可以在永磁同步直驱风力发电机组启动前，对转速不为零的永磁同步电机的转速和转子位置信息进行初步估算，从而减小机组的启动电流，加快无速度传感器收敛的快速性，实现快速启动。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：

一种同步电机无速度传感器的快速启动方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

(1)系统控制器释放机组刹车，打开桨叶，风机在桨叶的带动下，开始旋转；

(2)当电机转速达到切入转速后，系统控制器给电机侧变流器发出启动指令；

(3)系统控制器将电机的定子输出端短路，并检测定子短路电流i_a，i_b，i_c；

(4)根据检测的电机定子短路电流i_a，i_b，i_c，计算电机转子位置角θ_r和转速ω_r；

(5)根据步骤(4)计算出的电机转子位置角θ_r和转速ω_r，更新无速度传感器控制策略中的相关变量初始值，并启动无速度传感器控制策略，实现对电机的启动。

所述步骤(4)具体包括如下计算步骤：

(4a)将所述步骤(3)检测得到的定子短路电流i_a，i_b，i_c，转换到两相静止坐标系i_α、i_β；

(4b)根据两相静止坐标系下的定子短路电流i_α、i_β，计算转子位置角

(4c)根据转子位置角计算转子转速

本发明的有益效果是：该方法通过检测定子短路电流，计算转子位置角和转速，进而在永磁同步直驱风力发电机组启动前，对转速不为零的永磁同步电机的转速和转子位置信息进行初步估算，从而减小机组的启动电流，加快无速度传感器收敛的快速性，实现快速启动的。

附图说明

图1为同步电机无速度传感器的快速启动方法的流程图；

图2为三相逆变桥主回路结构图；

图3为同步电机三相输出端短路等效示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如前所述，虽然各种无速度传感器的控制算法，最终都能收敛，得到和真实电机转速和转子位置基本一致的信息，但其收敛时间和转子的初始位置有关。如果能在永磁同步直驱风力发电机组启动前，就对电机转速和转子位置等相关信息进行初步估算，然后对无速度传感器控制策略中的相关计算变量进行初始化，就能使得输出电压的幅值、相位与电机反电动势的幅值、相位相差较小，减小机组的启动电流，并使得机组启动后，无速度传感器控制策略能够在若干计算周期内快速收敛。本发明即是基于这一思路在永磁同步直驱风力发电机组启动前，对转速不为零的永磁同步电机的转速和转子位置信息进行初步估算，从而减小机组的启动电流，加快无速度传感器收敛的快速性，实现快速启动的。

如图1所示，本发明所设计的同步电机无速度传感器的快速启动方法具体包括如下步骤：

1、系统控制器释放机组刹车，打开桨叶，风机在桨叶的带动下，开始旋转；

2、当电机转速达到切入转速后，系统控制器给电机侧变流器发出启动指令；

3、系统控制器将电机的定子输出端短路，并检测定子短路电流i_a，i_b，i_c；

这里，电机定子输出端的短路方式有很多，本实施例中是对电机侧变流器采用开通三相IGBT逆变桥全部上桥臂的办法来实现定子输出端短路的。

4、根据检测的电机定子短路电流i_a，i_b，i_c，计算电机转子位置角θ_r和转速ω_r；

5、根据步骤(4)计算出的电机转子位置角和转速，更新无速度传感器控制策略中的相关变量初始值，并启动无速度传感器控制策略，实现对电机的启动。

这里，所述的无速度传感器控制策略可以是前述任何一种无速度传感器的控制策略，本发明的设计要点并不限于此。

在上述本发明所设计的同步电机无速度传感器的快速启动方法中，其核心的设计要点在于通过步骤(3)、(4)在启动无速度传感器控制策略之前，首先通过检测定子的短路电流，进而计算出转子的位置角和转速，从而对无速度传感器控制策略的相关变量设置初始值。根据前面的原理分析，对无速度传感器控制策略中的相关计算变量进行初始化，可以使得输出电压的幅值、相位与电机反电动势的幅值、相位相差较小，减小机组的启动电流，并使得机组启动后，无速度传感器控制策略能够在若干计算周期内快速收敛，最终实现快速启动的目的。

在步骤(4)中，该转子的位置角和转速之所以能够通过定子的短路电流计算而得，是基于电机的物理特性推导得出的。如图2、图3所示，当永磁同步电机转速不为零时，其电动势e_a，e_b，e_c为：

e_a＝ω_rψ_fcos(θ_r+90°)

e_b＝ω_rψ_fcos(θ_r+90°-120°)

e_c＝ω_rψ_fcos(θ_r+90°+120°)

其中，ω_r转子转速，ψ_f为永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链，θ_r为转子位置角。

以电机A相为例，当永磁同步电机三相输出端短路后，其定子电流i_a与电动势e_a的关系为：

$L_a\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}=-e_a$

定子电流i_a可表示为：

$i_a=\frac{-1}{L_a}\∫e_a\mathrm{dt}$

永磁同步电机定子三相输出短路，采用的是给三相逆变桥上桥臂给相同的PWM指令。例如，在500us的IGBT开关周期内，50％的占空比，有250us上桥臂的IGBT全部导通，电机输出短路，电机电流从0开始上升；另外250us内上桥臂的IGBT关断，电机输出开路，电机电流衰减为0。

由于短路时间较短，可以认为电机电动势e_a在短路时间内保持不变，则采样得到的定子电流可表示为：

$i_a=\frac{-1}{L_a}{e}_a\mathrm{\Δ}{T}_{s}D={\mathrm{ke}}_a$

式中，ΔT_s为IGBT的开关周期，D为IGBT导通的占空比。可以看出，采样得到的电机短路电流i_a与电动势e_a成正比关系，角速度相同，只是相位幅值相差180°。所以通过分析三相短路电流i_a，i_b，i_c，就可以得到电机电动势e_a，e_b，e_c的角速度信息，从而得到电机转子的角度和转速信息。

基于以上分析，本发明具体设计所述步骤(4)中根据定子短路电流i_a，i_b，i_c计算电机转子位置角θ_r和转速ω_r的步骤如下：

4a、将检测得到的定子三相短路电流i_a，i_b，i_c，转换到两相静止坐标系i_α、i_β；

其转换公式如下：

$i_{\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}(i_a-\frac{1}{2}{i}_b-\frac{1}{2}{i}_c)$

$i_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}(i_b-i_c)$

4b、根据两相静止坐标系下的定子短路电流i_α、i_β，计算转子位置角

这是因为定子短路电流的相位为

而基于前述分析，电动势的相位因此，得到转子位置角的计算公式为

4c、根据转子位置角计算转子转速

通过上述计算方法对转子的转速和位置角进行估算，我们最快可以在两个采样周期内就可估算出电机转子位置角θ_r和转速ω_r，进而对无速度传感器的控制策略的相关变量进行初始化。虽然，这种计算方法由于采样点有限，无法得到较为精确的转子位置角θ_r和转速ω_r数值，但是通过这种方法可以大大加快无速度传感器控制策略的收敛，从而实现快速启动的目的。

本领域一般技术人员基于上述设计思想，所做任何不具有创造性的改动，均应视为在本专利的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种同步电机无速度传感器的快速启动方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

(1)系统控制器释放机组刹车，打开桨叶，风机在桨叶的带动下，开始旋转；

(2)当电机转速达到切入转速后，系统控制器给电机侧变流器发出启动指令；

(3)系统控制器将电机的定子输出端短路，并检测定子短路电流i_a，i_b，i_c；

(4)根据检测的电机定子短路电流i_a，i_b，i_c，计算电机转子位置角θ_r和转速ω_r；

(5)根据步骤(4)计算出的电机转子位置角θ_r和转速ω_r，更新无速度传感器控制策略中的相关变量初始值，并启动无速度传感器控制策略，实现对电机的启动。

2.如权利要求1所述的同步电机无速度传感器的快速启动方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括如下计算步骤：

(4a)将所述步骤(3)检测得到的定子短路电流i_a，i_b，i_c，转换到两相静止坐标系i_α、i_β；

(4b)根据两相静止坐标系下的定子短路电流i_α、i_β，计算转子位置角

(4c)根据转子位置角计算转子转速

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