CN102522943B - 垂直轴永磁风力发电机转子初始位置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴永磁风力发电机转子初始位置控制方法，步骤如下：在零速和5%额定速以内的情况下，进行定子电流矢量闭环控制，建立定向静止定子磁链；由于定转子磁链夹角产生电磁转矩，迫使转子磁链向定子磁链靠拢；直到旋转机组磁链相对静止，此时电机停止旋转，转子初始位置控制完成。本发明基于传统矢量控制架构；采用定子电流闭环控制；仅借用原有矢量控制部分架构而无需增加任何辅助硬件装置，在不显著增大系统复杂度的情况下，方便的应用于永磁风力发电机的无速度传感器启动控制中。

Description

垂直轴永磁风力发电机转子初始位置控制方法

技术领域

本发明专利涉及一种垂直轴永磁风力发电机转子初始位置控制方法。

背景技术

随着世界环境危机、能源危机的加剧，各国竞相发展可再生能源技术，我国对可再生能源的利用也越来越重视。我国规划到2050年，新能源发电所占比例要达到全国发电总量的30％，而风能作为清洁可再生能源，将在其中占很大的比例。

目前风力发电的工业主流机型为水平轴风力机，其良好的变桨功率控制特性使其能够在大多数风况下运行，但是由于风向的不确定性需要增加偏航控制系统，以使水平轴风力机最大限度捕获风能。

垂直轴风力机是迥异于水平轴风力机的另一种风力发电机组形式。由于其具有无需偏航对风的突出优势，近年来得到了很多研究机构和企业的关注，并取得了一定的成果，且永磁直驱发电机组被普遍引入到垂直轴风力发电系统当中。

由于垂直轴风力机叶片的空气动力特性，其在静止状态下的启动较困难，即使风速已经达到一定的程度，垂直轴风力机也得不到足够的升力而进入良好的发电转速状态。一般在零速和极低速条件下需要辅助的动力才能使其转速得到提升进入正常的发电工况，即使用发电机电动运行的方式来启动风力机达到正常的发电转速状态。

永磁风力发电机零速电动启动的关键问题之一就是获取永磁电机的转子位置，进而产生正确的启动力矩，防止电机电磁转矩抖振并导致的启动失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种垂直轴永磁风力发电机转子初始位置控制方法，用以解决转子初始定位的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种垂直轴永磁风力发电机转子初始位置控制方法，步骤如下：在零速和5％额定速以内的情况下，进行定子电流矢量闭环控制，建立定向静止定子磁链；由于定转子磁链夹角产生电磁转矩，迫使转子磁链向定子磁链靠拢；直到旋转机组磁链相对静止，此时电机停止旋转，转子初始位置控制完成；所述电流矢量闭合控制中，d轴电流指令为i_s ^*，为了兼顾定位准确性和定子电流冲击，i_s ^*一般取额定电流的50％，q轴电流指令为零，给定定子磁链矢量角为θ。

所述θ＝0。

本发明基于传统矢量控制架构；采用定子电流闭环控制；仅借用原有矢量控制部分架构而无需增加任何辅助硬件装置，在不显著增大系统复杂度的情况下，方便的应用于永磁风力发电机的无速度传感器启动控制中。

附图说明

图1是定转子磁链位置图；

图2是转子初始位置控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示的

本发明专利是一种垂直轴永磁风力发电机转子初始位置控制方法，本专利提供一种基于传统矢量架构的永磁发电机转子初始位置控制方法，其可以在不改变原有控制系统架构的情况下方便的进行永磁发电机转子初始定位，显著改善永磁发电机无速度传感器控制模式下零速启动的电气性能。

该项控制方法的相关设计说明如下：

1)控制方法理论基础

基于转子磁链同步旋转坐标系，列写永磁发电机在电动机惯例下的定子磁链模型：

上式中为直、交轴定子磁链，L_d、L_q为直交轴定子电感，i_d、i_q为直交轴定子电流，

为转子磁链。

基于转子磁链同步旋转坐标系，列写永磁发电机在电动机惯例下的电磁转矩模型：

永磁发电机机械平衡方程：

$T_e-T_L-F{\mathrm{\ω}}_m=J\frac{d{\mathrm{\ω}}_m}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

2)控制方法设计

假定转子磁链和定子磁链的夹角为δ，其位置关系如图1所示：

根据图1，等式(1)，可以推出：

由等式(2)、(4)可以得到：

从等式(5)可以看到，在特定的电机参数下，永磁电机的电磁转矩仅取决于定子磁链的幅值和定转子磁链的夹角。

由于垂直轴风力机在静止状态下的负载转矩很小，可以近似假定为零，根据等式(3)、(5)，利用一定的定子电流建立定子磁链，如果定转子磁链存在偏差，必然会产生电磁转矩，从而将转子磁链牵引到定子磁链一致的方向，也即将转子初始位置控制到了已知的定子磁链位置上，据此转子位置再进行电机无速度传感器控制启动。

3)控制误差分析

根据图1，可以得到定子电流在转子旋转坐标系下的分量：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d={i_d}^{*}\cos \mathrm{\δ}\\ i_q={i_s}^{*}\sin \mathrm{\δ}\end{array}\right.---\left(6\right)$

根据等式(6)、(2)，可得：

进一步简化等式(7)：

通过等式(8)可以看出，如果垂直轴风力机静止状态下的负载转矩为零，则δ可以控制为零，即转子初始位置控制误差为零；如果具有一定的静止负载转矩，则转子初始位置控制存在误差，该误差随静止转矩的增大而增大，具体可用等式(8)进行量化。同时在一定的静止负载转矩下加大定子控制电流，转子初始位置控制误差可以减小，具体也可用等式(8)进行量化。

本发明的转子初始定位策略需要电机进行初始的转动，该定位的转动方向不定且与初始的定转子磁链位置相关；另一方面，该控制方法的转子位置控制精度还取决于电机的静态负载转矩，如果该转矩过大，会使定位误差加大。

转子初始位置控制框图如图2所示：

从图2可以看出，转子初始位置控制和永磁电机的传统矢量控制结构基本一致，具有两个PI控制器，一个Park逆变换，一个SVM模块，一个定子电流旋转变换模块；本发明的系统中仅有电流闭环，其中d轴电流给定一定大小的指令值，而q轴电流指令为零，同时矢量角设置为固定不变的常数值，及转子初始位置控制目标值。

根据实际测试结果，兼顾定位准确性和电流状态切换的稳定性，一般设计i_s ^*为50％额定电流，并且定位时间需要根据风力机组自身的转动惯量来确定，并以风力机再次静止为定位结束的判断条件。在零速和低速(5％额定速以内)情况下，进行定子电流矢量闭环控制，建立定向静止定子磁链；由于定转子磁链夹角产生电磁转矩，迫使转子磁链向定子磁链靠拢；直到旋转机组磁链相对静止，此时电机停止旋转，转子初始位置控制完成；所述电流矢量闭合控制中，d轴电流指令为i_s ^*，为了兼顾定位准确性和定子电流冲击，i_s ^*一般取额定电流的50％，q轴电流指令为零，给定定子磁链矢量角为θ，理论上θ可以给任何角度，但为了便于无速度传感器的控制，一般θ＝0。

如果永磁发电机机械传动系统装有转矩测量仪，还可以根据等式(8)进行静态负载转矩补偿，以进一步减小转子定位误差进而优化机组启动性能。

具体定位过程可以分解为：

1)定子电流闭环控制，定子磁链建立；

2)电磁转矩产生，电机开始转动，转子磁链向定子磁链靠拢；

3)由于机械惯量作用，旋转机组存在一定时间的来回抖动；

4)旋转机组静止，转子初始位置控制完成。

至此永磁发电机组可以开始无速度传感器控制启动。无速度传感器启动的关键在于定位准确，经过以上定位过程以后，转子初始位置已经准确获取。将定位值θ付给无速度辨识控制器作为初始电角度，而无速度传感器的初始电机速度为零，至此可以开始和常规一样的无速度传感器闭环矢量控制过程。由于初始定位准确能保证变流器以最大力矩进行电机启动，克服了垂直轴风力机系统启动困难的难题，拓展了垂直轴风力机在低风速的启动范围。

垂直轴风力机系统在起始时允许风力机一定程度的来回摆动，同时根据风力机的功速曲线得知静态下的转矩很小，从而采用该方法进行的永磁电机转子初始定位误差也很小，因此该专利发明的方法特别适合用于垂直轴风力发电系统的永磁发电机转子初始定位。

Claims (2)

1.垂直轴永磁风力发电机转子初始位置控制方法，其特征在于，该方法针对的是无速度传感器的永磁风力发电机，步骤如下：在零速和5%额定速以内的情况下，进行定子电流矢量闭环控制，建立定向静止定子磁链；由于定转子磁链夹角产生电磁转矩，迫使转子磁链向定子磁链靠拢；直到旋转机组磁链相对静止，此时电机停止旋转，转子初始位置控制完成；所述电流矢量闭合控制中，d轴电流指令为

，为了兼顾定位准确性和定子电流冲击，

一般取额定电流的50%，q轴电流指令为零，给定定子磁链矢量角为θ。

2.根据权利要求1所述的垂直轴永磁风力发电机转子初始位置控制方法，其特征在于，所述θ=0。

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