CN103633915A - 永磁同步发电机转子角频率和转子位置角估算方法 - Google Patents

永磁同步发电机转子角频率和转子位置角估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供永磁同步发电机转子角频率和转子位置角估算方法，包括电压型磁链观测环节、电流型磁链观测环节、自动补偿环节、计算有功磁链环节和转子角速度和位置角计算环节，自动补偿环节中利用PI控制器实现电压型磁链观测环节和电流型磁链观测环节之间的相互校正。本发明的有益效果是两个观测环节之间相互校正，并且通过PI控制器能实现平滑切换；补偿器可补偿磁链估计中的误差，包括直流偏置、积分初值影响、电机参数变化以及变频器的非线性影响；此方法省去了对转子初始相位的检测；不用锁相环，简化了控制系统结构，同时消除了锁相环带来的动态延时。

Description

永磁同步发电机转子角频率和转子位置角估算方法
技术领域
本发明属于涉及一种永磁同步发电机转子角频率和转子位置角估算方法。 
背景技术
风力发电发展迅速，各种技术日趋完善。永磁发电机作为风电机组的主要部件之一，采用背靠背双PWM全功率变流器来实现其变速恒频发电。在矢量控制方法中，电机转子位置角是矢量旋转的关键，并且转子角频率可用于主控功率和桨矩角控制、超速保护等。针对客户需求、成本考虑、安装条件限制等原因，无速度传感器情况下永磁同步发电机的转子角频率和转子位置角估算迫在眉睫。现有的方法包括：直接计算法、反电动势积分法、扩展反电动势法、扩展卡尔曼滤波法、高频注入法、低频注入法等。这些方法各有优劣，通常依赖于电机参数、低速性能较差、需初始相位检测等弊端。正是要改善这些估算方法的缺陷，本发明研发了一种永磁同步发电机转子角频率和转子位置角估算方法，其能自动补偿直流偏置、积分初值影响、电机参数变化以及变频器的非线性影响等。 
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种永磁同步发电机转子角频率和转子位置角估算方法。 
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种永磁同步发电机转子角频率和转子位置角估算方法，包括电压型磁链观测环节、电流型磁链观测环节、自动补偿环节、计算有功磁链环节和转子角速度和位置角计算环节，所述自动补偿环节中利用控制器实现所述电压型磁链观测环节和所述电流型磁链观测环节之间的相互校正，包括如下步骤： 
⑴、将定子电压矢量
Figure BDA0000409274550000011
和定子电流矢量
Figure BDA0000409274550000012
输入所述电压型磁链观测环节，所述电压型磁链观测环节计算得出电压型磁链观测环节定子磁链矢量
Figure BDA0000409274550000013
所述电压型磁链观测环节定子磁链矢量
Figure BDA0000409274550000014
公式为： 
Figure BDA0000409274550000015
式中
Figure BDA0000409274550000016
分别代表定子电阻和补偿电压矢量； 
⑵、定子电流矢量
Figure BDA0000409274550000017
输入所述电流型磁链观测环节，所述电流型磁链观测环节计算得出电流型磁链观测环节定子磁链矢量
Figure BDA0000409274550000018
所述电流型磁链观测环节定子磁链矢量计算公式为： 
Figure BDA00004092745500000110
式中Ld、ids、Lq、iqs分别代表定子磁链的d轴分量、定子磁链的q轴分量、定子d轴电感、定子电流的d轴分量、转子磁链、定子q轴电感、定子电流的q轴分量； 
⑶、所述电压型磁链观测环节和所述电流型磁链观测环节将各自计算出的定子磁链矢量
Figure BDA0000409274550000023
输入所述自动补偿环节中，所述自动补偿环节中计算出补偿电压矢量
Figure BDA0000409274550000024
并将电压矢量
Figure BDA0000409274550000025
输入所述电压型磁链观测环节中，其中补偿电压矢量
Figure BDA0000409274550000026
的计算公式为： 
Figure BDA0000409274550000027
式中
Figure BDA0000409274550000028
表示所述控制器的传递函数； 
⑷、步骤⑴至步骤⑶循环计算至所述电压型磁链观测环节输出的定子磁链矢量
Figure BDA0000409274550000029
和所述电流型磁链观测环节输出的定子磁链矢量
Figure BDA00004092745500000210
值相等，此相等的矢量用
Figure BDA00004092745500000211
表示； 
⑸、将定子磁链矢量
Figure BDA00004092745500000212
输入所述计算有功磁链环节，计算出有功磁链矢量
Figure BDA00004092745500000213
其计算公式为： 
Figure BDA00004092745500000214
⑹、将有功磁链矢量
Figure BDA00004092745500000215
输入所述转子角速度和位置角计算环节，计算出转子角频率ω和同步旋转角θ的三角函数sinθ、cosθ，其中sinθ、cosθ的计算公式为： 
Figure 2013105479164100002DEST_PATH_IMAGE001
式中
Figure BDA00004092745500000217
为有功磁链矢量
Figure BDA00004092745500000218
在α轴的分量，
Figure BDA00004092745500000219
为有功磁链矢量
Figure BDA00004092745500000220
在β轴的分量； 
其中有功磁链矢量在α-β轴的分量由有功磁链矢量
Figure BDA00004092745500000222
在a-b-c轴的分量换算而来，换算公式为： 
Figure 2013105479164100002DEST_PATH_IMAGE002
式中分别表示有功磁链矢量在a-b-c轴的分量； 
转子角频率ω的计算公式为 
ω = dθ dt .
所述自动补偿环节中的控制器为PI控制器。 
本发明具有如下优点：两个观测器之间相互校正，并且通过PI控制器能实现平滑切换；补偿器可补偿磁链估计中的误差，包括直流偏置、积分初值影响、电机参数变化以及变频器的非线性影响；此方法省去了对转子初始相位的检测；不用锁相环，仅使用简单的数学计算便可以得到转子角频率ω和用于旋转变换的三角函数sinθ_cosθ，简化了控制系统结构，同时消除了锁相环带来的动态延时。 
附图说明
图1是本发明的计算流程示意图。 
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种永磁同步发电机转子角频率和转子位置角估算方法，包括电压型磁链观测环节、电流型磁链观测环节、自动补偿环节、计算有功磁链环节和转子角速度和位置角计算环节，所述自动补偿环节中利用控制器实现所述电压型磁链观测环节和所述电流型磁链观测环节之间的相互校正，包括如下步骤： 
⑴、将定子电压矢量和定子电流矢量
Figure BDA0000409274550000033
输入所述电压型磁链观测环节，所述电压型磁链观测环节计算得出电压型磁链观测环节定子磁链矢量
Figure BDA0000409274550000034
所述电压型磁链观测环节定子磁链矢量
Figure BDA0000409274550000035
的计算公式由永磁同步发电机的定子电压方程
Figure BDA0000409274550000036
推到得出： 
Figure BDA0000409274550000037
式中Rs、
Figure BDA0000409274550000038
分别代表定子电阻和补偿电压矢量； 
⑵、定子电流矢量
Figure BDA0000409274550000039
输入所述电流型磁链观测环节，所述电流型磁链观测环节计算得出电流型磁链观测环节定子磁链矢量
Figure BDA00004092745500000310
所述电流型磁链观测环节定子磁链矢量
Figure BDA00004092745500000311
计算公式为： 
Figure BDA00004092745500000312
式中
Figure BDA00004092745500000313
Ld、ids、
Figure BDA00004092745500000314
Lq、iqs分别代表定子磁链的d轴分量、定子磁链的q轴分量、定子d轴电感、定子电流的d轴分量、转子磁链、定子q轴电感、定子电流的q轴分量； 
⑶、所述电压型磁链观测环节和所述电流型磁链观测环节将各自计算出的定子磁链矢量
Figure BDA00004092745500000315
输入所述自动补偿环节中，所述自动补偿环节中计算出补偿电压矢量并将电压矢量
Figure BDA00004092745500000317
输入所述电压型磁链观测环节中，其中补偿电压矢量
Figure BDA00004092745500000318
的计算公式为： 
Figure BDA0000409274550000041
式中表示所述控制器的传递函数； 
⑷、步骤⑴至步骤⑶循环计算至所述电压型磁链观测环节输出的定子磁链矢量
Figure BDA0000409274550000043
和所述电流型磁链观测环节输出的定子磁链矢量
Figure BDA0000409274550000044
值相等，此相等的矢量用
Figure BDA0000409274550000045
表示； 
⑸、将定子磁链矢量输入所述计算有功磁链环节，计算出有功磁链矢量
Figure BDA0000409274550000047
其计算公式为： 
Figure BDA0000409274550000048
⑹、将有功磁链矢量输入所述转子角速度和位置角计算环节，计算出转子角频率ω和同步旋转角θ的三角函数sinθ、cosθ，由于永磁同步发电机电磁转矩Ts可表示为： 
T e = 3 2 p [ ψ f + ( L q - L d ) i ds ] i qs
因此所有交流电机电磁转矩均可表示为有功磁链和iqs电流的乘积，且有功磁链的方向便是发电机转子电角度的方向。上述公式中p、
Figure BDA00004092745500000422
分别表示极对数和转子磁链， 
其中sinθ、cosθ的计算公式为： 
Figure 2013105479164100002DEST_PATH_IMAGE003
式中
Figure BDA00004092745500000412
为有功磁链矢量
Figure BDA00004092745500000413
在α轴的分量，
Figure BDA00004092745500000414
为有功磁链矢量
Figure BDA00004092745500000415
在β轴的分量； 
其中有功磁链矢量在α-β轴的分量由有功磁链矢量
Figure BDA00004092745500000417
在a-b-c轴的分量换算而来，换算公式为： 
Figure 2013105479164100002DEST_PATH_IMAGE004
式中
Figure BDA00004092745500000419
分别表示有功磁链矢量
Figure BDA00004092745500000420
在a-b-c轴的分量； 
转子角频率ω的计算公式为 
ω = dθ dt .
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的 较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。 

Claims (2)

1.永磁同步发电机转子角频率和转子位置角估算方法，其特征在于：包括电压型磁链观测环节、电流型磁链观测环节、自动补偿环节、计算有功磁链环节和转子角速度和位置角计算环节，所述自动补偿环节中利用控制器实现所述电压型磁链观测环节和所述电流型磁链观测环节之间的相互校正，包括如下步骤：
⑴、将定子电压矢量和定子电流矢量输入所述电压型磁链观测环节，所述电压型磁链观测环节计算得出电压型磁链观测环节定子磁链矢量
Figure FDA0000409274540000013
所述电压型磁链观测环节定子磁链矢量公式为：
Figure FDA0000409274540000015
式中
Figure FDA0000409274540000016
分别代表定子电阻和补偿电压矢量；
⑵、定子电流矢量
Figure FDA0000409274540000017
输入所述电流型磁链观测环节，所述电流型磁链观测环节计算得出电流型磁链观测环节定子磁链矢量
Figure FDA0000409274540000018
所述电流型磁链观测环节定子磁链矢量
Figure FDA0000409274540000019
计算公式为：
Figure FDA00004092745400000110
式中
Figure FDA00004092745400000111
Ld、ids、
Figure FDA00004092745400000112
Lq、iqs分别代表定子磁链的d轴分量、定子磁链的q轴分量、定子d轴电感、定子电流的d轴分量、转子磁链、定子q轴电感、定子电流的q轴分量；
⑶、所述电压型磁链观测环节和所述电流型磁链观测环节将各自计算出的定子磁链矢量
Figure FDA00004092745400000113
输入所述自动补偿环节中，所述自动补偿环节中计算出补偿电压矢量
Figure FDA00004092745400000114
并将电压矢量
Figure FDA00004092745400000115
输入所述电压型磁链观测环节中，其中补偿电压矢量
Figure FDA00004092745400000116
的计算公式为：
Figure FDA00004092745400000117
式中
Figure FDA00004092745400000118
表示所述控制器的传递函数；
⑷、步骤⑴至步骤⑶循环计算至所述电压型磁链观测环节输出的定子磁链矢量
Figure FDA00004092745400000119
和所述电流型磁链观测环节输出的定子磁链矢量
Figure FDA00004092745400000120
值相等，此相等的矢量用
Figure FDA00004092745400000121
表示；
⑸、将定子磁链矢量输入所述计算有功磁链环节，计算出有功磁链矢量
Figure FDA00004092745400000123
其计算公式为：
⑹、将有功磁链矢量输入所述转子角速度和位置角计算环节，计算出转子角频率ω和同步旋转角θ的三角函数sinθ、cosθ，其中sinθ、cosθ的计算公式为：
Figure FDA0000409274540000021
式中
Figure FDA0000409274540000022
为有功磁链矢量
Figure FDA0000409274540000023
在α轴的分量，
Figure FDA0000409274540000024
为有功磁链矢量
Figure FDA0000409274540000025
在β轴的分量；
其中有功磁链矢量
Figure FDA0000409274540000026
在α-β轴的分量由有功磁链矢量
Figure FDA0000409274540000027
在a-b-c轴的分量换算而来，换算公式为：
Figure FDA0000409274540000029
式中
Figure FDA00004092745400000210
分别表示有功磁链矢量
Figure FDA00004092745400000211
在a-b-c轴的分量；
转子角频率ω的计算公式为
ω = dθ dt .
2.根据权利要求1所述的估算方法，其特征在于：所述自动补偿环节中的控制器为PI控制器。
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