CN104009694B - 微网构建中基于功率因素校正整流算法的发电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网构建中基于功率因素校正整流算法的永磁风力发电机控制方法，采用PFC方法对三相PMSG进行控制，同时为了满足控制中所需要的转子位置信息，将初始位置di/dt检测法、旋转高频电压注入法和双重凸极解耦观测器结合在一起。本发明采用PFC方法对PMSG进行控制，同时将初始位置di/dt检测法、旋转高频电压注入法和双重凸极解耦观测器结合在一起，可以准确、有效的为PMSG电流控制提供准确可靠的转子位置信息，因此使得电流谐波含量减小，PMSG内功率因子接近1，同时维持直流输出从而也实现了基于PFC控制法的PMSG良好的控制。

Description

微网构建中基于功率因素校正整流算法的发电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种微网构建中基于功率因素校正整流算法的永磁风力发电机控制方法，采用PFC(PowerFactorCorrection，功率因数校正)方法对PMSG进行控制，同时为了满足控制中所需要的转子位置信息，将初始位置di/dt检测法、旋转高频电压注入法和双重凸极解耦观测器结合在一起。

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。采用PMSG的风力发电系统，需要通过全功率电力电子变换器，将发电机输出的变压变频的交流电变换为一定电压的直流电，再逆变成恒频恒压的交流电，满足并网或者离网用户的要求。其中常见的电机侧整流方案有两类：“脉宽调值(PWM)整流器”和“不可控整流+斩波器升压”。PWM整流器既可以使直流电压稳定，又能控制交流电流波形，但其电路结构和控制较复杂，成本较高。“不可控整流+斩波器升压”方案因其较为简单的电路结构和较低的成本，在小型风力发电系统中得到了更广泛的应用。但不可控整流使电机电流的谐波含量较大，损耗增加，电机的工作状态恶化。而这些控制方式中，又需实时要得到PMSG的转子位置角。

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，降低了系统可靠性；2)加大了电机空间尺寸和体积，减少了功率密度，增加了系统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，导致电机驱动系统无法正常工作。以上几点都是造成风力发电系统不稳定工作的主要原因。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种微网构建中基于功率因素校正整流算法的永磁风力发电机控制方法，准确、有效的为PMSG电流控制提供准确可靠的转子位置信息，使风力发电系统稳定工作。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种微网构建中基于功率因素校正整流算法的永磁风力发电机控制方法，采用PFC方法对三相PMSG进行控制，同时为了满足控制中所需要的转子位置信息，将初始位置di/dt检测法、旋转高频电压注入法和双重凸极解耦观测器结合在一起，具体包括以下步骤：

(1)采用PFC整流的三相PMSG系统结构，包括三组单相PFC整流器和一台三相PMSG，单相Buck型PFC的电流平均控制算法用于每一相PFC整流器中，即设计三组相同的单相PFC整流控制算法；

所述单相PFC整流控制算法为：设计电压外环和电流内环，为了使直流母线电压u_dc保持为给定电压不变，将电压外环PI调节器的输出作为电流内环的参考电流幅值电流内环的作用为控制电动势基本相位与实际电流相位保持一致，其电动势基波波形由定子电动势相位决定，即PMSG转子位置角θ_r决定；同时θ_r与做积得到电流内环的参考电流参考电流与实际电流|i_x|的差值ε经过PI调节器，其输出作为开关管的占空比d_x，从而控制开关管的通断；

(2)在三相PMSG运行之前，采用di/dt检测法确定转子位置角的初始位置，具体为：首先向三相PMSG的电枢绕组施加不同的空间电压矢量，利用等效电路时间常数的不同，最后通过比较响应电流的衰减时间，确定PMSG转子初始位置；

(3)在三相PMSG初始位置角检测完成并顺利启动后，通过无位置传感器控制算法确定转子位置角θ_r，具体为：采用旋转式高频电压注入法实时检测三相PMSG的转子位置，通过软件锁相环实现对负序高频电流的相位的跟踪，从而获取矢量角误差，同时采用PI调节器调节矢量角的误差使之趋于零，就可以使PMSG转子位置的估计值收敛于真实值。

所述步骤(3)中，采用旋转式高频注入法的同时为了避免电机多重凸极效应的影响，在高频电压注入法的结构上加入双重凸极解耦观测器。

所述步骤(3)中，采用旋转式高频注入法的同时为了解决当风速不稳定时所产生的转子位置磁极收敛的问题，在高频电压注入法的结构上加入转子位置鲁棒观测器。

PFC方法利用三相PMSG电枢电感和漏电感作为储能电感，主动对风力发电机的电流波形进行主动控制，在使直流电机得到稳定的同时，使PMSG定子绕组电流正弦，且与感应电动势相位一致，从而使得电机的运行状况得以改善。

有益效果：本发明提供的微网构建中基于功率因素校正整流算法的永磁风力发电机控制方法，具有如下有益效果：

1、采用PFC控制算法对发电机电流波形进行主动控制，在稳定直流电压的同时，使定子绕组电流正弦，且与感应电动势相位一致，电机的运行状态得以改善；

2、采用的PFC整流器与传统PWM整流器相比，该电路具有较强的容错运行能力，且需要的可控开关数量较小，也不存在桥式电路的直通问题，大大降低了成本；

3、采用的整流控制算法在稳态和动态中不仅能为PMSG电流控制提供准确可靠的转子位置信息，还能维持直流输出电压不变，从而具有良好的工作状态；

4、采用无位置传感器控制算法确定转子位置角，克服了机械式传感器所带来的弊端，如：1)电机与控制器之间的连接元件增多，坑干扰能力变差，降低了系统可靠性；2)加大了电机空间尺寸和体积，减少了功率密度，增加了系统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，导致电机驱动系统无法正常工作；

5、将初始位置di/dt检测法、旋转高频电压注入法和双重凸极解耦观测器结合在一起，可以准确、有效的为PMSG电流控制提供准确可靠的转子位置信息，因此使得电流谐波含量减小、PMSG内功率因子接近1，同时维持直流输出从而也实现了基于PFC控制法的PMSG良好的控制。

附图说明

图1为两组d、q绕组在不同位置时的示意图；

图2为空间电压矢量图；

图3为初始位置检测流程图和操作图；

图4为采用PFC整流的三相PMSG系统结构图；

图5为单相PFC整流控制框图；

图6为带有解耦观测器的旋转式高频电压注入法原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种微网构建中基于功率因素校正整流算法的永磁风力发电机控制方法，采用PFC方法对三相PMSG进行控制，PFC方法利用三相PMSG电枢电感和漏电感作为储能电感，主动对风力发电机的电流波形进行主动控制，在使直流电机得到稳定的同时，使PMSG定子绕组电流正弦，且与感应电动势相位一致，从而使得电机的运行状况得以改善；同时PFC控制方法需要用到定子绕组感应电动势的相位，即PMSG转子位置信息，在PMSG启动之前，采用di/dt检测法对PMSG转子初始位置进行检测，PMSG运行之后采用旋转式高频电压注入法实时检测PMSG转子位置，且为了避免永磁发电机多重凸极效应的影响，在高频电压注入法的结构上加入双重凸极解耦观测器。具体包括如下步骤：

(1)采用PFC整流的三相PMSG系统结构，如图4所示，包括三组单相PFC整流器和一台三相PMSG，单相Buck型PFC的电流平均控制算法用于每一相PFC整流器中，即设计三组相同的单相PFC整流控制算法；

如图5所示，所述单相PFC整流控制算法为：设计虚线表示的电压外环和实线表示的电流内环，为了使直流母线电压u_dc保持为给定电压不变，将电压外环PI调节器的输出作为电流内环的参考电流幅值电流内环的作用为控制电动势基本相位与实际电流相位保持一致，其电动势基波波形由定子电动势相位决定，即PMSG转子位置角θ_r决定；同时θ_r与做积得到电流内环的参考电流参考电流与实际电流|i_x|的差值ε经过PI调节器，其输出作为开关管的占空比d_x，从而控制开关管的通断；

(2)在三相PMSG运行之前，采用di/dt检测法确定转子位置角的初始位置，具体为：首先向三相PMSG的电枢绕组施加不同的空间电压矢量，利用等效电路时间常数的不同，最后通过比较响应电流的衰减时间，确定PMSG转子初始位置；

(3)在三相PMSG初始位置角检测完成并顺利启动后，通过无位置传感器控制算法确定转子位置角θ_r，具体为：采用旋转式高频电压注入法实时检测三相PMSG的转子位置，通过软件锁相环实现对负序高频电流的相位的跟踪，从而获取矢量角误差，同时采用PI调节器调节矢量角的误差使之趋于零，就可以使PMSG转子位置的估计值收敛于真实值θ_r；同时为了避免电机多重凸极效应的影响，在高频电压注入法的结构上加入双重凸极解耦观测器；另外为了解决当风速不稳定时所产生的转子位置磁极收敛的问题，在高频电压注入法的结构上加入转子位置鲁棒观测器。

下面就本发明的具体实现加以详细说明。

转子初始位置的检测原理是基于定子铁心的非线性磁化特性。如图1所示，设转子永磁体产生的磁链为ψ_f，方向和d¹轴重合，则在d²轴方向的分量为ψ_fcos△θ；d、q轴下电机d轴磁链方程为：

ψ_d＝L_di_d+ψ_f(1)

其中，θ为转子位置角，L_d为d轴电感，i_d为d轴电流。

根据式(1)得：

ψ_d1＝L_d1i_d1+ψ_f(2)

ψ_d2＝L_d2i_d2+ψ_fcosΔθ

比较式(1)和式(2)，则有：

ψ_d1>ψ_d2(3)

如图1可知，因为L_d1绕组磁通方向和永磁磁极方向一致，因此当L_d1、L_d2绕组中的电流同时增加时，处于d¹轴方向的磁路更加趋于饱和，根据电感饱和效应，可以得出L_d1<L_d2。根据零状态响应电流公式：

i(t)＝U[1-e^-(R/L)t]/R(4)

其中，U为施加的电压幅值，L,R为定子绕组的自感和电阻。

则有：

i_d1>i_d2(5)

由上述分析可以得出以下结论：当2组相同的绕组产生的合成磁链相等时，磁通方向与转子磁极最接近的绕组等效电感饱和度最高，其电感值最小，电流最大，因此可以通过检测电压脉冲所产生的电流响应的幅值大小，来确定转子初始位置，但该方法需要检测电流峰值，对采样电路要求较高，采样频率也会影响到其判断的准确性，本发明专利在此之上，利用不同电压矢量下d轴等效电路时间常数不同的特性，通过检测响应电流衰减到0的时间不同，判断转子的初始位置，无需对电流峰值进行检测，减少了对采样电路的依赖性，具体原理如下。

发电机静止时，当通入的电压脉冲方向与d¹方向相等时，L＝L_d1，则电路的时间常数为τ_d1；当通过的电压脉冲方向与d²相同时，L＝L_d2，则电路的时间常数为τ_d2。根据电感饱和效应可知τ_d1<τ_d2，则t_d1<t_d2。两电压脉冲所产生的响应电流衰减到0所需要的时间分别为t_d1、t_d2，通过比较两者时间的大小，可知转子的初始位置更靠近d¹。依据此原理，按照图2所示，按顺序通入12个方向不同的电压矢量，与转子磁极N同方向的电压矢量(即通入的电压矢量角度为转子实际角度时)，对应的电路时间常数τ最小，则t最小。

因此，可以通过比较在恒定电压矢量作用下d轴电流衰减到0的时间，判断出转子的初始位置，测量的时间最小值t_{d_min}所对应的电压矢量的角度即为转子的初始角度。

根据上述原题，其具体的操作过程如图3所示，具体为：

整个检测过程可以分为两步，图3为检测过程的流程图，其中n代表图2中的其中一个空间电压矢量，θ_n是空间电压矢量n的角度。

第一步，按照图2(a)的顺序(1→2→3→…→12)向电机施加12个不同的电压矢量，并且检测出d轴电流从稳态值衰减到0的时间t。随着电压矢量逐渐接近转子N极，则因为磁饱和现象，衰减时间t会逐渐减小。最终，t_{d_min}所对应的电压矢量角度即为转子初始角度。

第二步，首先以θ_M2作为初步判断出的电压矢量角度范围的中值，在第一步的基础上，分别向电机施加角度为θ_M2-△θ，θ_M2和θ_M2+△θ三种电压矢量，△θ的初始值为7.5°，因此第二步中施加给电机的电压矢量如图2(b)所示。电压矢量14为第一步中t_{d_min}所对应的电压矢量。按照第一步检测的方法再次检测出新的角度θ'_M2。

随后为了进一步准确的获得转子位置，向电机施加空间电压矢量16、17和18，如图2(c)所示，按照同样的方向检测出新的转子位置角度θ”_M2。最终，t_{d_min}所对应的电压矢量角度即为最终检测的转子初始角度θ_r。

PMSG启动之后采用三组单相PFC整流器的控制，其系统框图如图4所示，其具体的原理如下：

设三相PMSG转子位置角θ_r＝wt为a相轴线到转子d轴的角度，在相坐标系下，定子电压方程为：

$\left(\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right)=L_{abc}\frac{d}{dt}\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)+R\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right)---\left(6\right)$

式中 $L_{abc}=\left(\begin{array}{ccc}L& -M& -M\\ -M& L& -M\\ -M& -M& L\end{array}\right).$

e_a,e_b,e_c为定子三相绕组感应电动势，E_m为基波幅值，且E_m＝wψ_r；ψ_r为转子永磁体磁链基本幅值；w为电机电角速度；u_a,u_b,u_c为定子三相绕组的电压；i_a,i_b,i_c为定子三相绕组的电流；L,R为定子绕组的自感和电阻；M为定子绕组间的互感。

基于该数学模型，采用常规单相Buck型PFC整流器的平均电流控制，其每一相的具体控制框图如图5所示，具体包括虚线表示的电压外环和实线所表示的电流内环。

为了使直流母线电压u_dc保持为给定电压不变，将电压外环PI调节器的输出作为电流内环的参考电流幅值电流内环的作用为控制电动势基本相位与实际电流相位保持一致，其电动势基波波形由定子电动势相位，即PMSG转子位置角θ_r决定，同时θ_r与做积得到电流内环的参考电流参考电流与实际电流的差值ε，经过PI调节器，其输出作为开关管的占空比d_x，从而控制开关管的通断。

其中，PMSG转子位置θ_r通过利用旋转电压高频注入法的无位置传感器控制算法获得，同时为解决在因为风速的不同或其他外界干扰下而可能导致观测器收敛到转子磁极相反位置的状态，加入了转子位置鲁棒观测器，其具体原理如下：

电机起动后，依靠混合观测器对转子位置进行检测，采用旋转高频电压信号注入的控制系统如图6所示，图中，BSF、BPF、SFF分别是为带组、带通、同轴高通滤波器。其检测原理为：假设高频注入电压的角频率ω_i，幅值为υ_si，则注入的旋转高频电压信号可表示为：

${\mathrm{\&nu;}}_{qdsi}^s=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&nu;}}_{qsi}^s\\ {\mathrm{\&nu;}}_{dsi}^s\end{array}\right]={\mathrm{\&nu;}}_{si}\left[\begin{array}{c}cos\left({\mathrm{\&omega;}}_{i}t\right)\\ -sin\left({\mathrm{\&omega;}}_{i}t\right)\end{array}\right]={\mathrm{\&nu;}}_{si}{e}^{{\mathrm{j\&omega;}}_{i}t}---\left(7\right)$

测量高频激励下逆变器输出端直线永磁电机的电流响应为i_qd，通过带通滤波器BPF滤除后，得到高频电流信号i_qdi，即：

$i_{qdi}=i_{dqs\_ip}^s+i_{dqs\_in}^s=i_{ip}{e}^{j\left({\mathrm{\&theta;}}_t\right(t)-\mathrm{\&pi;}/2)}+i_{in}{e}^{j(2{\mathrm{\&theta;}}_r-{\mathrm{\&theta;}}_t(t)+\mathrm{\&pi;}/2)}---\left(8\right)$

从式(8)可以看出，dq轴高频电流i_qdi由正序相序电流分量和负相序电流分量组成，其中只有负序电流的相角中包含有转子的位置信息θ_r，经过高通滤波器SFF将正序电流成分滤除，负序电流先后数乘e^jw1t和后，可得矢量角误差可表达为：

式中正、负相序电流分量的幅值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{ip}=\&lsqb;\frac{\mathrm{\&Sigma;}L}{{\mathrm{\&Sigma;L}}^2-{\mathrm{\&Delta;L}}^2}\&rsqb;\frac{U_{si}}{w_i}\\ i_{in}=\&lsqb;\frac{\mathrm{\&Delta;}L}{{\mathrm{\&Sigma;L}}^2-{\mathrm{\&Delta;L}}^2}\&rsqb;\frac{U_{si}}{w_i}\end{array}\right.$

其中，ΣL＝(L_d+L_q)/2为d、q轴电感的平均值，△L＝(L_d-L_q)/2为d、q轴电感的半差电感；其中分别为dq轴的正序电流和负序电流。这样，通过PI调节矢量角的误差使之趋于零，就可使转子位置的估计值收敛于真实值θ_r。

式(8)中PMSG的数学模型仅仅考虑了依赖于转子结构的空间凸极。而在实际中，电机具有多重凸极，包括转子、定子和逆变器的非线性所产生的多重凸极以及饱和引起的凸极。

PMSG在旋转高频电压信号好的注入下的多重凸极可以通过电流的复矢量和表示，即式(8)可以写成：

$i_{qdi}=i_{dqs\_ip}^s+i_{dqs\_in}^s=i_{ip\_1}{e}^{j\left({\mathrm{\&theta;}}_t\right(t)-\mathrm{\&pi;}/2)}+\underset{k}{\&Sigma;}{i}_{in\_2k}{e}^{j(2{\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_t(t)+\mathrm{\&pi;}/2)}---\left(9\right)$

式中，i_{ip_1}≈i_ip；i_{in_2}≈i_in。

k＝0时的凸极是由电机不对称结构和电流测量的不对称性所引起的负序载波坐标系中的直流偏移量；当k＝1时，空间凸极分量是由d轴和q轴的电感差异所引起的。其他凸极(k＝±1,±2,±3,±4)受负载条件下的磁饱和影响，称作饱和引起的凸极，经过多次试验验证，得到PMSG机由多重凸极引起的电流复矢量和近似于：

$\begin{array}{c}{i}_{qdi}=i_{ip\_1}{e}^{j\left({\mathrm{\&theta;}}_t\left(t\right)-\mathrm{\&pi;}/2\right)}+i_{in\_0}{e}^{j\left(2{\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_t\left(t\right)+\mathrm{\&pi;}/2\right)}+\\ i_{in\_2}{e}^{j\left(2{\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_t\left(t\right)+\mathrm{\&pi;}/4\right)}+i_{in\_-2}{e}^{j\left(-2{\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_t\left(t\right)+\mathrm{\&pi;}/4\right)}+\\ i_{in\_4}{e}^{j\left(4{\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_t\left(t\right)+\mathrm{\&pi;}/8\right)}+i_{in\_-4}{e}^{j\left(-4{\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_t\left(t\right)+\mathrm{\&pi;}/8\right)}+\\ i_{in\_6}{e}^{j\left(2{\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_t\left(t\right)+\mathrm{\&pi;}/12\right)}+i_{in\_8}{e}^{j\left(2{\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_t\left(t\right)+\mathrm{\&pi;}/24\right)}\end{array}---\left(10\right)$

式(10)的第1项是高频电流的正序分量，第2项是当k＝0时，电机的静态凸极，第3项是当k＝1时，由d轴和q轴的电感差异所引起的电流负序分量。从第4项到第8项分别是k＝-1、k＝±2、k＝3及k＝4时受负载条件下的磁饱和影响，由饱和引进的凸极，其余的凸极因幅值很小，其影响可被忽略，对PMSG中由饱和引起的其他凸极可以采取解耦的方法，图6是在静止坐标系下对式(10)中的第6项进行解耦的跟踪观测器原理图。同理，也可以用同样的方法对其他项进行解耦。

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 (2)

1.一种微网构建中基于功率因素校正整流算法的永磁风力发电机控制方法，其特征在于：采用PFC方法对三相PMSG进行控制，同时为了满足控制中所需要的转子位置信息，将初始位置di/dt检测法、旋转高频电压注入法和双重凸极解耦观测器结合在一起，具体包括以下步骤：

(1)采用PFC整流的三相PMSG系统结构，包括三组单相PFC整流器和一台三相PMSG，单相Buck型PFC的电流平均控制算法用于每一相PFC整流器中，即设计三组相同的单相PFC整流控制算法；

所述单相PFC整流控制算法为：设计电压外环和电流内环，为了使直流母线电压u_dc保持为给定电压不变，将电压外环PI调节器的输出作为电流内环的参考电流幅值电流内环的作用为控制电动势基本相位与实际电流相位保持一致，其电动势基波波形由定子电动势相位决定，即PMSG转子位置角θ_r决定；同时θ_r与做积得到电流内环的参考电流参考电流与实际电流|i_x|的差值ε经过PI调节器，其输出作为开关管的占空比d_x，从而控制开关管的通断；

(2)在三相PMSG运行之前，采用di/dt检测法确定转子位置角的初始位置，具体为：首先向三相PMSG的电枢绕组施加不同的空间电压矢量，利用等效电路时间常数的不同，最后通过比较响应电流的衰减时间，确定PMSG转子初始位置；

(3)在三相PMSG初始位置角检测完成并顺利启动后，通过无位置传感器控制算法确定转子位置角θ_r，具体为：采用旋转式高频电压注入法实时检测三相PMSG的转子位置，通过软件锁相环实现对负序高频电流的相位的跟踪，从而获取矢量角误差，同时采用PI调节器调节矢量角的误差使之趋于零，就可以使PMSG转子位置的估计值收敛于真实值θ_r；采用旋转式高频注入法的同时为了避免电机多重凸极效应的影响，在高频电压注入法的结构上加入双重凸极解耦观测器。

2.根据权利要求1所述的微网构建中基于功率因素校正整流算法的永磁风力发电机控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，采用旋转式高频注入法的同时为了解决当风速不稳定时所产生的转子位置磁极收敛的问题，在高频电压注入法的结构上加入转子位置鲁棒观测器。