CN103986399A - 一种微网构建中的海浪发电系统位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网构建中的海浪发电系统位置检测方法，将双脉冲非线性电压施加法、滑模观测器、模糊控制器和凸极效应跟踪观测器结合在一起，采取滑模观测器获取转子位置信息，首先采用模滑观测器对PMSG反电动势EEMF进行估算，再通过实测电流和观测电流之间的误差构成滑膜平面对EEMF进行观测，准确地得到转子位置；同时采用模糊控制器代替传统开关函数Z，得到等效EEMF，以获得转子位置检测值，为了减小观测误差，对低通滤波器相位滞后产生的误差进行补偿；并设计了凸极效应跟踪观测器；另外，采用双脉冲电压施加法计算出转子初始位置角。本发明可以准确、有效的实时检测海浪发电系统PMSG的转子位置信息。

Description

一种微网构建中的海浪发电系统位置检测方法

技术领域

本发明涉及一种微网构建中的海浪发电系统位置检测方法，将双脉冲非线性电压施加法、滑模观测器、模糊控制器和凸极效应跟踪观测器等结合在一起进行位置检测。

背景技术

传统能源日趋枯竭、环境污染问题恶化，新能源开发迫在眉睫。随着低功耗无线传感器的发展，利用环境清洁可再生能源如太阳能、风能以及波浪能发电制作成微电源为传感器节点提供电能，日益受到各界广泛关注。相比风能与太阳能技术，波浪能发电技术要落后十几年。但是波浪能具有其独特的优势，波能能量密度高，是风能的4～30倍；相比太阳能，波浪能不受天气影响。波浪能发电电源是利用波浪发电制作成的电源，为海洋传感节点供电具有诸多优点。

目前，在各种结构的海浪发电系统PMSG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。特别是在小海浪发电系统PMSG中，PMSG由于这些优点而得到了更多的应用。一般情况下，PMSG采用机械式位置传感器来检测转子位置，如光电编码器和旋转变压器。然而，机械式传感器的存在带来了很多弊端：1)电机与控制器之间的连接元件增多，坑干扰能力变差，降低了可靠性；2)加大了电机空间尺寸和体积，减少了功率密度，增加了的硬件成本和维护成本；3)在高温与强腐蚀环境中，将使传感器性能变差、甚至失效，导致电机驱动无法正常工作。以上几点都是造成海浪发电系统PMSG不稳定工作的主要原因。故采用无位置传感器技术显得格外的必要。

而无位置传感器的核心是控制能对转子的实时位置和速度进行准确的估算，常用的无位置传感器控制方法可分为3类：

1、采用电机理想模型的开环计算法，如直接计算法、反电动势积分法等；基于开环计算法的方法简单直接，动态性能较好；但计算时依赖电机参数，而电机运行时参数总处于变化之中，这样势必会影响转子位置估计的准确性；并且在电机速度很低时，反电动势非常小，容易和各种干扰信号掺杂在一起，信噪比变低，使得反电势难于检测。所以这种方法并不适合用于电机静止或低速时无传感器位置估算。

2、基于外部高频信号注入的转子位置辨识方案，如旋转高频电压注入法、旋转高频电压注入法和旋转高频电流注入法；高频信号注入法是通过给电机三相绕组注入高频信号(电压或电流信号)，依靠电机转子自身的凸极性或由于饱和导致的凸极效应，使高频信号产生的磁场受到转子凸极的调制作用，因此高频信号中将带有转子位置信息，再将高频信号从定子电流或电压中解调出来就能提取出电机转子的位置信息；这种方法依靠外加激励信号，并不依赖于转速，但估算转子位置所需要的时间较长，位置量更新频率不高，所以高频信号注入法在电机静止和低速时有更好的估算效果。

3、基于状态观测器的闭环算法，如滑模观测器法(SMO)、模型参考自适应系统法(MRAS)、扩展卡尔曼滤波器法(EKF)等；观测器的本质就是状态重构，即重新构造一个，利用原中直接可以测到的输出向量和输入向量作为它的输入信号，并使重构的输出信号在一定的条件下等价于原的状态，这个重新构造的就称为观测器。

发明内容

发明目的：为了克服机械式传感器带来的很多弊端，同时解决上述各种无位置传感器所带来的弊端，本发明提供一种微网构建中的海浪发电系统位置检测方法，将双脉冲非线性电压施加法、滑模观测器、模糊控制器和凸极效应跟踪观测器等结合在一起，在有效对海浪发电系统PMSG转子初始估计的同时，可以准确、有效的实时检测海浪发电系统PMSG运行后的转子位置信息。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种微网构建中的海浪发电系统位置检测方法，将双脉冲非线性电压施加法、滑模观测器、模糊控制器和凸极效应跟踪观测器结合在一起，具体包括以下步骤：

(1)转子初始位置检测采用双脉冲电压施加法，根据交、直轴电感差异原理，向PMSG施加2个方向不同、幅值相同的等宽电压矢量，检测到两次电流响应，从而解出与转子位置构成函数关系的差分电感分量，最终根据所述函数关系得出PMSG转子初始位置角；

(2)海浪发电系统开始运行后，采用反电动势来检测PMSG转子位置，采用滑模观测器获取PMSG转子位置信息：首先采用滑膜观测器对等效扩展反电动势EEMF进行估算，随后通过检测电流和观测电流之间的误差构成模滑面对等效扩展反电动势EEMF进行观测，从而获得PMSG转子位置检测值；为了减小位置估算误差，对低通滤波器相位滞后产生的误差进行补偿；

(3)为削弱滑模观测器的抖振现象，采用滑模观测器对实测电流和观测电流进行模糊化处理，用模糊控制器代替传统的开关函数Z，得到等效扩展反电动势EEMF；

(4)为了解决在发电机在低速运行下PMSG凸极效应所带来的误差，对凸极效应所带来的误差进行补偿：海浪每一次冲击都会给发电机带来线性无关的三种电压矢量V_m、V_n和V_l，其中每一种电压矢量对应一种电流响应值，V_m、V_n和V_l分别对应着电流响应值i_αβm、i_αβn和i_αβl，根据前后两次线性无关的电压矢量而产生的电流响应值计算出电感矩阵，并结合估算的位置信息θ_r，从而计算出交、直轴电感，并将交、直轴电感反馈到滑膜观测器；为了解决发电机利用扩展反电动势求解而带来的复杂性，加入凸极效应跟踪观测器，直接利用检测到的α/β轴电压进行计算。

有益效果：本发明提供的微网构建中的海浪发电系统位置检测方法，将双脉冲非线性电压施加法、滑模观测器、模糊控制器和凸极效应跟踪观测器等结合在一起，具有如下优势：1、初始位置检测采用双脉冲线性电压注入法的方式，向海浪发电系统PMGM的电枢绕组施加空间电压矢量，能够非常准确的检测海浪发电系统PMGM的转子初始位置；2、节约了硬件成本和维修成体，同时提高了系统的抗干扰性和鲁棒性；3、为了削弱滑模观测器的抖振现象，采用模糊控制器代替传统开关函数Z，得到等效EEMF；4、为了解决在发电机利用扩展反电动势求解而带来的复杂性，加入凸极效应跟踪观测器，直接利用检测到的α/β轴电压进行计算，很大程度上减少了运算的复杂性。

附图说明

图1为PMSG模型；

图2为空间电压矢量分布图；

图3为带有滑模观测器的反电动势检测法原理图；

图4模糊控制器原理图；

图5海浪发电系统整体框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种微网构建中的海浪发电系统位置检测方法，将双脉冲非线性电压施加法、滑模观测器、模糊控制器和凸极效应跟踪观测器结合在一起，具体包括以下步骤：

(1)转子初始位置检测采用双脉冲电压施加法，根据交、直轴电感差异原理，向PMSG施加2个方向不同、幅值相同的等宽电压矢量，检测到两次电流响应，从而解出与转子位置构成函数关系的差分电感分量，最终根据所述函数关系得出PMSG转子初始位置角；

(2)海浪发电系统开始运行后，采用反电动势来检测PMSG转子位置，采用滑模观测器获取PMSG转子位置信息：首先采用滑膜观测器对等效扩展反电动势EEMF进行估算，随后通过检测电流和观测电流之间的误差构成模滑面对等效扩展反电动势EEMF进行观测，从而获得PMSG转子位置检测值；为了减小位置估算误差，对低通滤波器相位滞后产生的误差进行补偿；

(3)为削弱滑模观测器的抖振现象，采用滑模观测器对实测电流和观测电流进行模糊化处理，用模糊控制器代替传统的开关函数Z，得到等效扩展反电动势EEMF；

(4)为了解决在发电机在低速运行下PMSG凸极效应所带来的误差，对凸极效应所带来的误差进行补偿：海浪每一次冲击都会给发电机带来线性无关的三种电压矢量V_m、V_n和V_l，其中每一种电压矢量对应一种电流响应值，V_m、V_n和V_l分别对应着电流响应值i_αβm、i_αβn和i_αβl，根据前后两次线性无关的电压矢量而产生的电流响应值计算出电感矩阵，并结合估算的位置信息θ_r，从而计算出交、直轴电感，并将交、直轴电感反馈到滑膜观测器；为了解决发电机利用扩展反电动势求解而带来的复杂性，加入凸极效应跟踪观测器，直接利用检测到的α/β轴电压进行计算。

下面就本发明的设计思想等内容加以具体说明。

如图1所示为PMSG模型，在定子静止两相αβ坐标系下，PMSG的数学模型可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{L}_1+L_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_r& 2\sin {\mathrm{\θ}}_r\\ L_2\sin 2{\mathrm{\θ}}_r& L_1-L_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right].D\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+w_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{PM}}\left[\begin{array}{c}-\cos {\mathrm{\θ}}_r\\ \sin {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{L}_1=(L_d+L_q)/2\\ L_2=(L_d-L_q)/2\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，u和i为αβ坐标系下的定子电压和定子电流，R为定子相电阻；ψ_PM为永磁磁链；θ_r为转子位置；w_r为PMSG电角速度；L_d、L_q分为PMSG的d轴电感和q轴电感；D为微分算子。当PMSG处于静止状态时，其反电动势为零，故式(1)可以简写为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{L}_1+L_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_r& 2\sin {\mathrm{\θ}}_r\\ L_2\sin 2{\mathrm{\θ}}_r& L_1-L_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right].D\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

若对PMSG定子施加2次方向不同，幅值相同的2次电压矢量(具体施加规则见图2的任意两个不同的电压矢量，如V₁或V₂，通过电流传感器检测2次电流响应值，随后解出电感矩阵方程为：

$\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\α}1}& u_{\mathrm{\α}2}\\ u_{\mathrm{\β}1}& u_{\mathrm{\β}2}\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{cc}{i}_{\mathrm{\α}1}& i_{\mathrm{\α}2}\\ i_{\mathrm{\β}1}& i_{\mathrm{\β}2}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{L}_1+L_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_r& 2\sin {\mathrm{\θ}}_r\\ L_2\sin 2{\mathrm{\θ}}_r& L_1-L_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]D\left[\begin{array}{cc}{i}_{\mathrm{\α}1}& i_{\mathrm{\α}2}\\ i_{\mathrm{\β}1}& i_{\mathrm{\β}2}\end{array}\right]---\left(4\right)$

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}{L}_{11}& L_{12}\\ L_{21}& L_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_1+L_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_r& 2\sin {\mathrm{\θ}}_r\\ L_2\sin 2{\mathrm{\θ}}_r& L_1-L_2\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\α}1}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}1}& u_{\mathrm{\α}1}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}2}\\ u_{\mathrm{\β}1}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}1}& u_{\mathrm{\β}2}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}1}}{\mathrm{dt}}& \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}2}}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}1}}{\mathrm{dt}}& \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}2}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]\end{array}---\left(5\right)$

根据是(5)，转子位置可由下式获得：

${\mathrm{\θ}}_r=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\frac{L_{12}+L_{21}}{L_{11}-L_{22}}---\left(6\right)$

根据式(6)即可得出PMSG转子初始位置角。

当电机处于运行状态后，采用滑膜观测器来获取PMSG转子位置信息，结构框图如图3所示，在d-q旋转坐标系中PMSG的电压方程为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R+{\mathrm{DL}}_d& -w_r{L}_d\\ w_r{L}_d& R+{\mathrm{DL}}_q\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ w_r{K}_E\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中，[u_d u_q]^T为旋转坐标系下电压；[i_d i_q]^T为旋转坐标系下电流；R为定子电阻；D为微分算子；w_r为转子角速度(电角度)；K_E为反电势常数；L_d为d轴电感；L_q为q轴电感。

将式(7)变换到α-β静止坐标系下，得到：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R+{\mathrm{DL}}_{\mathrm{\α}}& -w_r{L}_{\mathrm{\α\β}}\\ w_r{L}_{\mathrm{\α\β}}& R+{\mathrm{DL}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+w_r{K}_E\left[\begin{array}{c}-\sin {\mathrm{\θ}}_r\\ \cos {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]---\left(8\right)$

[u_α u_β]^T为旋转坐标系下电压；[i_α i_β]^T为旋转坐标系下电流；L_α＝L_o+L₁cos2θ_r；L_αβ＝L₁sin2θ_r；L_β＝L_o-L₁cos2θ_r；L_o＝(L_d+L_q)/2；L₁＝(L_d-L_q)/2；θ_r为海浪发电系统在运行时的PMSG位置角。

式(8)中包含有θ_r、2θ_r项，其中2θ_r将给后期的计算带来很大的难度，因此，可以通过适当的变换使其消除，从式(8)中可以看出：电感矩阵的不对称是2θ_r的出现的主要原因，因而，将d-q轴下的PMSG的电压方程(7)重写为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R+{\mathrm{DL}}_d& -w_r{L}_q\\ w_r{L}_q& R+{\mathrm{DL}}_d\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ w_r{K}_E+(L_d-L_q)(w_r{i}_d-{\mathrm{di}}_q/\mathrm{dt})\end{array}\right]---\left(9\right)$

将式(9)变换到α-β静止坐标系下，得：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R+{\mathrm{DL}}_d& w_r(L_d-L_q)\\ -w_r(L_d-L_q)& R+{\mathrm{DL}}_d\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]\\ +\left[(w_r{K}_E+(L_d-L_q)(w_r{i}_d-\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}})\right]\left[\begin{array}{c}-\sin {\mathrm{\θ}}_r\\ \cos {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]\end{array}---\left(10\right)$

为了便于使用滑膜观测器对反电动势进行观测，将电压方程(7)改写成电流的状态方程形式：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=A\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\frac{1}{L_d}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\frac{E}{L_d}\left[\begin{array}{c}\sin {\mathrm{\θ}}_m\\ -\cos {\mathrm{\θ}}_m\end{array}\right]---\left(11\right)$

其中， $A=\frac{1}{L_d}\left[\begin{array}{cc}-R& -{\mathrm{\ω}}_r(L_d-L_q)\\ {\mathrm{\ω}}_r(L_d-L_q)& -R\end{array}\right],$

$E=\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{\α}}\\ E_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=[(w_r{K}_E+(L_d-L_q)(w_r{i}_d-\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}})]\left[\begin{array}{c}-\sin {\mathrm{\θ}}_r\\ \cos {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right],$ 且E为反电动势。

构造如下的滑膜观测器：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=A\·\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\frac{1}{L_d}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\frac{Z_{\mathrm{\α\β}}}{L_d}---\left(12\right)$

其中，为定子α和β轴电流观测值；为了削弱滑模观测器的抖振现象，采用模糊控制器代替传统开关函数，具体结构图如图5所示。

首先设跟踪误差ε和误差变化率dε定义为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}\left(k\right)={\hat{i}}_{\mathrm{\α\β}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\α\β}}\left(k\right)\\ \mathrm{d\ϵ}\left(k\right)=\mathrm{\ϵ}\left(k\right)-\mathrm{\ϵ}(k-1)\end{array}\right.---\left(13\right)$

将跟踪误差ε和误差变化率dε作为模糊控制器的输入，函数Z_αβ作为模糊控制器的输出，ε、dε、Z_αβ都进行了归一化处理，确定输入输出变量的语言值。

其图5中参考模型的传递函数为：

$\frac{{\hat{i}}_{\mathrm{\α\β}}^{*}\left(s\right)}{{\hat{i}}_{\mathrm{\α\β}}\left(s\right)}=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}---\left(14\right)$

根据海浪发电响应快速且稳态误差为零的系统。选择阻尼系数ζ＝1，则在上述约束下间隔时间△t和自然频率ω_n之间的关系如下：

$(1-{\mathrm{\ω}}_n\mathrm{\Δt})e^{-{\mathrm{\ω}}_n{t}_r}=0.1---\left(15\right)$

只要△t给定，就可以求出ω_n。并可以得到传递函数(14)的离散形式：

$\frac{{\hat{i}}_{\mathrm{\α\β}}^{*}\left(z^{-1}\right)}{{\hat{i}}_{\mathrm{\α\β}}\left(z^{-1}\right)}=\frac{a_0+a_1{z}^{-1}+a_2{z}^{-2}}{1+b_1{z}^{-1}+b_2{z}^{-2}}---\left(16\right)$

差分方程为：

${\hat{i}}_{\mathrm{\α\β}}^{*}\left(k\right)=-b_1{i}_{\mathrm{\α\β}}(k-1)-b_2{i}_{\mathrm{\α\β}}(k-2)-a_0{i}_{\mathrm{\α\β}}^{*}\left(k\right)a_1{i}_{\mathrm{\α\β}}^{*}(k-1)+a_2{i}_{\mathrm{\α\β}}^{*}(k-2)---\left(17\right)$

校正单元采用了逐步下降法，通过最小化参考模型输出与电流观测值差值的平方来校正模糊控制器的模糊参数：

$J(k+1)=\frac{1}{2}\mathrm{\ϵ}{(k+1)}^2=\frac{1}{2}{[i_{\mathrm{\α\β}}^{*}(k+1)-E_{\mathrm{\α\β}}(k+1)]}^2---\left(18\right)$

${\mathrm{\Δc}}_{m,n}(k+1)\∝-\frac{\∂J(k+1)}{{\∂c}_{m,n}\left(k\right)}=-\mathrm{\α}\frac{\∂J(k+1)}{{\∂c}_{m,n}\left(k\right)}---\left(19\right)$

式(12)减去式(11)，得到电流观测误差的状态方程为：

当满如下条件时，滑模观测器进入滑模状态：

$[i_{\mathrm{\&alpha;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}},i_{\mathrm{\&beta;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}}]\frac{d}{t}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ i_{\mathrm{\&beta;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]<0---\left(21\right)$

若滑模增益k足够大，不等式(21)成立，进入滑膜状态，有：

$\frac{d}{t}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ i_{\mathrm{\&beta;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ i_{\mathrm{\&beta;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=0---\left(22\right)$

将上式(22)代入到公式(20)得：

Z＝E   (23)

其中Z中包含有不连续高频信号，因此为去除不连续高频信号，将其通入低通滤波器后得到等价控制量，即：

$\left[\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ Z_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ E_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=[(w_r{K}_E+(L_d-L_q)(w_r{i}_d-\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}})]\left[\begin{array}{c}-\sin {\mathrm{\&theta;}}_r\\ \cos {\mathrm{\&theta;}}_r\end{array}\right]---\left(24\right)$

由公式(24)，可以得到PMSG在高速运行时的转子位置角

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_r=\arctan (-\frac{E_{\mathrm{\&alpha;}}}{E_{\mathrm{\&beta;}}})---\left(25\right)$

为了减小观测误差，对低通滤波器相位滞后产生的误差进行补偿，补偿值为

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{re}}=\arctan \left(\frac{w_r}{w_{\mathrm{cutoff}}}\right)---\left(26\right)$

其中w_cutoff＝1/τ₀是低通滤波器的截止频率，τ₀是低通滤波器的时间常数。

为了解决在发电机利用扩展反电动势求解而带来的复杂性，加入凸极效应跟踪观测器，其d/q轴电感的求解原理如下：

将检测到的电流峰值作为电流响应的变化量，电感矩阵可以表示为：

$\left[\begin{array}{cc}{L}_{11}& L_{12}\\ L_{21}& L_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\&alpha;}1}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\&alpha;}1}& u_{\mathrm{\&alpha;}2}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\&alpha;}2}\\ u_{\mathrm{\&beta;}1}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\&beta;}1}& u_{\mathrm{\&beta;}2}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\&beta;}2}\end{array}\right]$

${\left[\begin{array}{cc}\frac{i_{\mathrm{\&alpha;}1}}{\mathrm{\&Delta;t}}& \frac{i_{\mathrm{\&alpha;}2}}{\mathrm{\&Delta;t}}\\ \frac{i_{\mathrm{\&beta;}1}}{\mathrm{\&Delta;t}}& \frac{i_{\mathrm{\&beta;}2}}{\mathrm{\&Delta;t}}\end{array}\right]}^{-1}/H\left(t\right)=\frac{\mathrm{\&Delta;t}}{H\left(t\right)(i_{\mathrm{\&alpha;}1}{i}_{\mathrm{\&beta;}2}-i_{\mathrm{\&alpha;}2}{i}_{\mathrm{\&beta;}1})}---\left(27\right)$

$\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\&alpha;}1}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\&alpha;}1}& u_{\mathrm{\&alpha;}1}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\&alpha;}2}\\ u_{\mathrm{\&beta;}1}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\&beta;}1}& u_{\mathrm{\&beta;}2}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\&beta;}2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{i}_{\mathrm{\&beta;}2}& -i_{\mathrm{\&alpha;}2}\\ -i_{\mathrm{\&beta;}1}& i_{\mathrm{\&alpha;}1}\end{array}\right]$

其中HR为定子电阻，△t为在海浪的不同冲击下的连续两次电压矢量施加的时间间隔，i_α1、i_β1、i_α2、i_β2分别为αβ坐标系下1、2次电压矢量的电流响应值，可以看出，公式(27)可以获得PMSG的电感参数，从而求出d/q轴电感，如公式(28)和(29)所示：

L_d＝L₁+L₂＝[L₁₁+L₂₂+(L₁₁-L₂₂)/cos2θ_r]/2   (28)

L_q＝L₁-L₂＝[L₁₁+L₂₂-(L₁₁-L₂₂)/cos2θ_r]/2   (29)

将公式(28)和(29)所求的L_d和L_q，和检测到的i_α、i_β与w_r一起代入公式(10)即可获得：

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_r=\arctan (-\frac{E_{\mathrm{\&alpha;}}}{E_{\mathrm{\&beta;}}})=\arctan (-\frac{u_{\mathrm{\&alpha;}}-K_1}{u_{\mathrm{\&beta;}}-K_2})---\left(30\right)$

其中K₁、K₂为计算获得的系数值，因此加入凸极效应跟踪观测器，直接利用检测到的α/β轴电压进行计算，很大程度上减少了运算的复杂性。

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)

1.一种微网构建中的海浪发电系统位置检测方法，其特征在于：将双脉冲非线性电压施加法、滑模观测器、模糊控制器和凸极效应跟踪观测器结合在一起，具体包括以下步骤：

(1)转子初始位置检测采用双脉冲电压施加法，根据交、直轴电感差异原理，向PMSG施加2个方向不同、幅值相同的等宽电压矢量，检测到两次电流响应，从而解出与转子位置构成函数关系的差分电感分量，最终根据所述函数关系得出PMSG转子初始位置角；

(2)海浪发电系统开始运行后，采用反电动势来检测PMSG转子位置，采用滑模观测器获取PMSG转子位置信息：首先采用滑膜观测器对等效扩展反电动势EEMF进行估算，随后通过检测电流和观测电流之间的误差构成模滑面对等效扩展反电动势EEMF进行观测，从而获得PMSG转子位置检测值；为了减小位置估算误差，对低通滤波器相位滞后产生的误差进行补偿；

(3)为削弱滑模观测器的抖振现象，采用滑模观测器对实测电流和观测电流进行模糊化处理，用模糊控制器代替传统的开关函数Z，得到等效扩展反电动势EEMF；

(4)为了解决在发电机在低速运行下PMSG凸极效应所带来的误差，对凸极效应所带来的误差进行补偿：海浪每一次冲击都会给发电机带来线性无关的三种电压矢量V_m、V_n和V_l，其中每一种电压矢量对应一种电流响应值，V_m、V_n和V_l分别对应着电流响应值i_αβm、i_αβn和i_αβl，根据前后两次线性无关的电压矢量而产生的电流响应值计算出电感矩阵，并结合估算的位置信息θ_r，从而计算出交、直轴电感，并将交、直轴电感反馈到滑膜观测器，为了解决发电机利用扩展反电动势求解而带来的复杂性，加入凸极效应跟踪观测器，直接利用检测到的α/β轴电压进行计算。