CN103731083A - 风力发电系统的转子初始位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电系统的转子初始位置检测方法，包括首先对线电流峰值进行检测、再根据线电流峰值初步确定转子初始位置以及转子磁极极性判断几部分。本发明提供的风力发电系统的转子初始位置检测方法，能够非常准确的检测风力发电机电机转子初始位置，实现电机的顺利起动；实施过程简单，不需要依赖任何电机参数，测量结果准确，具有很强的工程实用价值。

Description

风力发电系统的转子初始位置检测方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统的转子初始位置检测方法，通过给逆变器施加高频线电压脉冲，并且检测响应的线电流峰值，随后利用SVPMW技术判断磁极方向的转子初始位置检测方法。

背景技术

目前，在各种结构的风力发电系统中，采用永磁同步发电机（PMSG）的方案及其效率较高，具有无需励磁电路等优点，有着重要的地位。特别是在小型风力发电系统中，PMSG由于这些优点而得到了更多的应用。而能否对转子初始位置进行准确估计是永磁同步发电机高性能控制策略（矢量控制或直接转矩）和无位置传感器运行实现的前提条件，也是关系到电机是否顺利起动，以及能否实现最大转矩起动的关键问题，一直是工程技术界研究的热点和难点问题之一。

保证电机不发生转动且检测转子初始位置的方法，目前的研究成果为di/dt检测法和高频注入法两种：di/dt检测法需要向电机中注入幅值相同、方向不同的一系列电压脉冲，检测并比较相应电流的大小来估计转子初始位置，这种方法可行，但如果想得到精确的转子初始位置需要施加多个不同方向的电压脉冲，对逆变器的控制较为复杂；而采用高频信号注入法，其基本原理是在电机中注入特定的高频电压信号，然后检测电机中对应的电流信号以确定转子的初始位置，但该方法算法较为复杂，实现起来较为困难，且需要低通滤波器等额外的硬件电路，增加了成本；除此之外的一些初始位置检测方法，需要依赖电机参数，使操作起来准确性降低很多。所以提出一种不依赖电机参数，且实现简单，确定的检测方法非常必要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中转子初始位置检测值与实际值偏差较大，电机起动时将会出现带载能力下降甚至起动失败等问题，本发明提供一种风力发电系统的转子初始位置检测方法，通过给逆变器施加高频线电压脉冲，并且检测响应的线电流峰值，随后利用SVPWM技术判断磁极方向的转子初始位置检测方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种风力发电系统的转子初始位置检测方法，包括首先对线电流峰值进行检测、再根据线电流峰值初步确定转子初始位置以及转子磁极极性判断几部分，具体包括如下步骤：

（1）采用逆变器两两导通的控制方式，检测ab相线电流峰值i_ab、ac相线电流峰值i_ac和bc相线电流峰值i_bc；

（2）根据下式确定初步检测的转子初始位置：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}=I_o+I_m\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_r\right)\\ i_{\mathrm{ac}}=I_o+I_m\cos (2{\mathrm{\θ}}_r-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ i_{\mathrm{bc}}=I_o+I_m\cos (2{\mathrm{\θ}}_r+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

其中，I_m为随转子变化的电流幅值，θ_r为初步检测的转子位置角；

（3）利用park变换进行转换和后续计算，最终得出2θ_r的正切函数，再2θ_r的正切函数进行反正切，得到初步判断的转子初始位置角θ_r1，具体过程为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}\\ i_{\mathrm{ac}}\\ i_{\mathrm{bc}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{\sqrt{3}}{2}{I}_m\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\\ \frac{\sqrt{3}}{2}{I}_m\sin 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]$

${\mathrm{\θ}}_{r1}=\frac{1}{2}\arctan \frac{i_{\mathrm{\β}}}{i_{\mathrm{\α}}}$

or

${\mathrm{\θ}}_{r1}=\frac{1}{2}\arctan \frac{i_{\mathrm{\β}}}{i_{\mathrm{\α}}}+\mathrm{\π}$

其中，i_α和i_β为ab相线电流峰值i_ab、ac相线电流峰值i_ac和bc相线电流峰值i_bc进行park变换后的电流值；

根据下述判据，确定初步判断的转子初始位置角θ_r1：

若i_ab>i_ac≥i_bc，则θ_r1位于的位置区间为0°～30°或180°～210°；

若i_ac≥i_ab>i_bc，则θ_r1位于的位置区间为30°～60°或210°～240°；

若i_ac>i_bc≥i_ab，则θ_r1位于的位置区间为60°～90°或240°～270°；

若i_bc≥i_ac>i_ab，则θ_r1位于的位置区间为90°～120°或270°～300°；

若i_bc>i_ab≥i_ac，则θ_r1位于的位置区间为120°～150°或300°～330°；

若i_ab≥i_bc>i_ac，则θ_r1位于的位置区间为150°～180°或330°～360°；

（4）利用SVPWM技术给电枢绕组施加等宽电压脉冲的方法以准确判断转子的磁极方向，通过检测等宽电压脉冲所产生的电流响应的峰值的不同，判断转子的磁极方向，结合步骤（3）的判断结果，求得转子的最终初始位置角θ_rr，具体过程为：

向电枢绕组施加与转子方向相近的等宽电压脉冲，定义位置角0°～180°等宽电压脉冲对应的电流响应峰值为i_N，180°～360°等宽电压脉冲对应的电流响应峰值为

若则转子初始位置与第一次初步估计的值相一致，即θ_rr=θ_r1，否则将相反，即θ_rr=θ_r1+π。

有益效果：本发明提供的风力发电系统的转子初始位置检测方法，能够非常准确的检测风力发电机电机转子初始位置，实现电机的顺利起动；实施过程简单，不需要依赖任何电机参数，测量结果准确，具有很强的工程实用价值。

附图说明

图1为初始位置检测的结构图；

图2为初始位置检测流程图；

图3为三相逆变器结构图；

图4为电机转子位置分区图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2所示为一种风力发电系统的转子初始位置检测方法，包括首先对线电流峰值进行检测、再根据线电流峰值初步确定转子初始位置以及转子磁极极性判断几部分，具体包括如下步骤：

（1）通过给逆变器施加指定的电压触发脉冲来检测线电流峰值，具体为采用逆变器两两导通的控制方式，检测ab相线电流i_ab、ac相线电流i_ac和bc相线电流i_bc，即每一刻电机有两相导通，非导通相悬空，如图3所示，以a相为例，第一步施加到电压脉冲到a相和b相（T₁、T₄导通），c相悬空，电压脉冲时间设置在1ms以下，检测ab相线电流峰值为i_ab；

（2）根据下式确定初步检测的转子初始位置：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}=I_o+I_m\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_r\right)\\ i_{\mathrm{ac}}=I_o+I_m\cos (2{\mathrm{\θ}}_r-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ i_{\mathrm{bc}}=I_o+I_m\cos (2{\mathrm{\θ}}_r+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

其中，I_m为随转子变化的电流幅值，θ_r为初步检测的转子位置角；

（3）利用park变换进行转换和后续计算，最终得出2θ_r的正切函数，再2θ_r的正切函数进行反正切，得到初步判断的转子初始位置角θ_r1，具体过程为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}\\ i_{\mathrm{ac}}\\ i_{\mathrm{bc}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{\sqrt{3}}{2}{I}_m\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\\ \frac{\sqrt{3}}{2}{I}_m\sin 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]$

${\mathrm{\θ}}_{r1}=\frac{1}{2}\arctan \frac{i_{\mathrm{\β}}}{i_{\mathrm{\α}}}$

or

${\mathrm{\θ}}_{r1}=\frac{1}{2}\arctan \frac{i_{\mathrm{\β}}}{i_{\mathrm{\α}}}+\mathrm{\π}$

其中，i_α和i_β为ab相线电流峰值i_ab、ac相线电流峰值i_ac和bc相线电流峰值i_bc进行park变换后的电流值；

根据表1所示判据，结合图4确定初步判断的转子初始位置角θ_r1：

表1初步判断的判据

（4）如图4所示，区间1～6和区间7～12的电流变化规律一直，故无法判断转子的磁极方向，本案利用SVPWM技术给电枢绕组施加等宽电压脉冲的方法以准确判断转子的磁极方向，通过检测等宽电压脉冲所产生的电流响应的峰值的不同，判断转子的磁极方向，结合步骤（3）的判断结果，求得转子的最终初始位置角θ_rr，具体过程为：

向电枢绕组施加与转子方向相近的等宽电压脉冲，定义位置角0°～180°等宽电压脉冲对应的电流响应峰值为i_N，180°～360°等宽电压脉冲对应的电流响应峰值为

若

则转子初始位置与第一次初步估计的值相一致，即θ_rr=θ_r1，否则将相反，即θ_rr=θ_r1+π；

例如，当检测出的θ_r1为15°或195°时，施加0°～180°等宽电压脉冲的电压矢量U_a+，180°～360°等宽电压脉冲的电压矢量U_a-，检测i_a和

若

则θ_rr=15°；否则θ_rr=195°。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种风力发电系统的转子初始位置检测方法，其特征在于：包括首先对线电流峰值进行检测、再根据线电流峰值初步确定转子初始位置以及转子磁极极性判断几部分，具体包括如下步骤：

（1）采用逆变器两两导通的控制方式，检测ab相线电流峰值i_ab、ac相线电流峰值i_ac和bc相线电流峰值i_bc；

（2）根据下式确定初步检测的转子初始位置：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}=I_o+I_m\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_r\right)\\ i_{\mathrm{ac}}=I_o+I_m\cos (2{\mathrm{\θ}}_r-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ i_{\mathrm{bc}}=I_o+I_m\cos (2{\mathrm{\θ}}_r+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

其中，I_m为随转子变化的电流幅值，θ_r为初步检测的转子位置角；

（3）利用park变换进行转换和后续计算，最终得出2θ_r的正切函数，再2θ_r的正切函数进行反正切，得到初步判断的转子初始位置角θ_r1，具体过程为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}\\ i_{\mathrm{ac}}\\ i_{\mathrm{bc}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{\sqrt{3}}{2}{I}_m\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\\ \frac{\sqrt{3}}{2}{I}_m\sin 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]$

${\mathrm{\θ}}_{r1}=\frac{1}{2}\arctan \frac{i_{\mathrm{\β}}}{i_{\mathrm{\α}}}$

or

${\mathrm{\θ}}_{r1}=\frac{1}{2}\arctan \frac{i_{\mathrm{\β}}}{i_{\mathrm{\α}}}+\mathrm{\π}$

其中，i_α和i_β为ab相线电流峰值i_ab、ac相线电流峰值i_ac和bc相线电流峰值i_bc进行park变换后的电流值；

根据下述判据，确定初步判断的转子初始位置角θ_r1：

若i_ab>i_ac≥i_bc，则θ_r1位于的位置区间为0°～30°或180°～210°；

若i_ac≥i_ab>i_bc，则θ_r1位于的位置区间为30°～60°或210°～240°；

若i_ac>i_bc≥i_ab，则θ_r1位于的位置区间为60°～90°或240°～270°；

若i_bc≥i_ac>i_ab，则θ_r1位于的位置区间为90°～120°或270°～300°；

若i_bc>i_ab≥i_ac，则θ_r1位于的位置区间为120°～150°或300°～330°；

若i_ab≥i_bc>i_ac，则θ_r1位于的位置区间为150°～180°或330°～360°；

（4）利用SVPWM技术给电枢绕组施加等宽电压脉冲的方法以准确判断转子的磁极方向，通过检测等宽电压脉冲所产生的电流响应的峰值的不同，判断转子的磁极方向，结合步骤（3）的判断结果，求得转子的最终初始位置角θ_rr，具体过程为：

向电枢绕组施加与转子方向相近的等宽电压脉冲，定义位置角0°～180°等宽电压脉冲对应的电流响应峰值为i_N，180°～360°等宽电压脉冲对应的电流响应峰值为

若则转子初始位置与第一次初步估计的值相一致，即θ_rr=θ_r1，否则将相反，即θ_rr=θ_r1+π。

Images