CN106685291A - 一种用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法，在永磁同步电机运行时，对电机的电磁参数加以检测；在永磁同步电机在有位置传感器条件下正常运行时，实时计算电机状态信息；判断永磁同步电机的位置工作状态，并根据工作状态灵活切换有位置和无位置二者之间驱动控制系统的平稳切换；建立无位置传感器矢量控制双闭环条件下永磁同步电机驱动控制方法；在永磁同步电机正常运行时位置传感器输出信号出现故障后，实时将永磁同步电机从有实际位置和转速反馈的矢量控制系统中切换成为利用估算位置和速度信号的无传感器矢量控制模式；当故障信号解除以后，实时将系统从无传感器矢量控制模式切换回有位置矢量控制模式。

Description

一种用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法，属于位置故障容错驱动控制方法技术领域。

背景技术

风力发电中的变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转，当风速超过机组额定风速时(风速在12m/s到25m/s之间时)，为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间(变桨角度根据风速的变化进行自动调整)，通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片变桨到90度位置(执行紧急变桨命令时叶片会变桨到91度限位位置)。

每个变桨驱动系统上的电机都安装有位置传感器，通过电机端的位置传感器(通常是旋转变压器)来判定电机需要的运行状态。目前在变桨系统中电机的位置传感器至关重要，因为当位置传感器损坏以后，永磁同步电机将无法准确检测电机的位置，从而造成变桨失败，会导致风机整体塔架的倒塌，从而造成风机的损坏。对变桨驱动系统的变桨维护通常采用多传感器冗余备份的方法，即当一个位置传感器损坏以后，开启另外一个备份的位置传感器，从而保证电机系统的正常运行。

虽然上述方法可行，但是其备份的传感器需要占用电机系统的空间，在变桨系统中由于尺寸有限，很多场合无法多余安装传感器，此外，为了保证系统可靠，双传感器的走线也是一个很难回避的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即解决在电机位置传感器损坏时导致风机桨叶无法正常顺桨，从而造成风机整体损坏，同时备份的传感器需要占用电机系统的空间，在变桨系统中由于尺寸有限，很多场合无法多余安装传感器，此外，为了保证系统可靠，双传感器的走线也是一个很难回避的问题。进而提供一种用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法，

步骤1：在永磁同步电机运行时，对电机的电磁参数加以检测，检测的内容包括：电机的三相电流、alpha-beta坐标系下的电压以及母线电压、电机的实际位置信号以及旋转变压器的正余弦信号；

步骤2：在永磁同步电机在有位置传感器条件下正常运行时，实时计算电机状态信息，包括：实际转速、预估位置、预估速度、预估反电势；

步骤3：判断永磁同步电机的位置工作状态，并根据工作状态灵活切换有位置和无位置二者之间驱动控制系统的平稳切换；

步骤4：建立无位置传感器矢量控制双闭环条件下永磁同步电机驱动控制方法；

步骤5：在永磁同步电机正常运行时位置传感器输出信号出现故障后，实时将永磁同步电机从有实际位置和转速反馈的矢量控制系统中切换成为利用估算位置和速度信号的无传感器矢量控制模式；当故障信号解除以后，实时将系统从无传感器矢量控制模式切换回有位置矢量控制模式。

本发明风力发电顺桨系统的位置传感器采用旋转变压器，其故障检测方法利用检测的位置信号、实际工况以及电压、电流检测信号综合判定；其故障状态下的自驱动控制方法利用了滑模观测器观测反电势、隆伯格观测器获得位置和速度方法，实现了有传感器矢量控制和无传感器矢量控制之间的无缝对接。将其和有位置传感器相结合，共同完成变桨电机系统的位置冗余控制问题。

附图说明

图1为风力发电用变桨系统永磁同步电机的驱动控制原理框图。

图2为位置及速度预估控制框图。

图3为位置状态判断流程图。

图4为故障状态下的位置及速度切换示意图。

图5为硬件结构示意图。

图6为软件控制流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1～图6所示，本实施例所涉及的一种用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法：

一、位置及速度位置预估：

风力发电用变桨系统永磁同步电机的驱动控制原理框图如图1所示。根据图1，永磁同步电机的两相电流i_a,i_b、母线电压U_dc、旋转变压器SIN和COS信号通过A/D检测并将该信号采集入微处理器，park逆变换中静止坐标系下的电压u_α,u_β通过DSP内部计算得到，电机的实际位置信号θ_re通过轴角变换芯片获得。相电流i_a,i_b经过clark变换、park变换，并利用位置信号θ_re，转换为同步旋转坐标系下的电流i_d,i_q，位置信号θ_re通过微分算法计算出速度ω_re，利用i_d,i_q,ω_re构建速度和电流双闭环控制系统，实现id＝0的矢量控制方法，实现永磁同步电机在正常状态下的速度控制。

在永磁同步电机系统正常工作状态下，检测的相电流i_a,i_b转换为静止坐标系下的电流i_α,i_β以及静止坐标系下的电压u_α,u_β，构建二阶非奇异终端滑模观测器来预估电机磁链。

构建的滑模观测器如公式2所示。

定义：x＝[i,ψ]^T，i＝[i_α,i_β]^T，u＝[u_α,u_β]^T，ψ＝[ψ_α,ψ_β]^T，其中p＝d/dt为微分算子，I为单位矩阵，J为单位逆矩阵。

C＝[I,C₃]^T

为了加快滑模平面的响应速度并抑制滑模系统在运行过程中产生的抖振现象，构建滑模平面：其中，γ＞0，p,q为奇数，且1＜p/q＜2，滑模

函数表示为

为了保证公式(3)式中自适应律l_g的收敛速度，取l_g

l_g＞|ω_re|·max(|u_smoα|,|u_smoβ|) (4)将公式(2)所得预估磁链方程模型离散化，得到预估磁链在静止坐标系下的数值为：

然后，根据滑模观测器得到的磁链，根据图2所示的位置及速度的预估原理框图来构建锁相环结合前馈控制的方法获得位置信号，锁相环误差信号可以表示为：

该误差信号和位置信息有关，为了增强对负载扰动的抑制能力，锁相环结合前馈获得位置和速度的方法构建的速度以及位置估算公式如(7)所示。

上述方程离散化之后，得到

二、位置故障判定：

在永磁同步电机系统正常运行时，使用三重机制对位置状态加以评判，从而综合判断出位置当前的工作状态。其三重判定依据如下所示，其判断流程如图3所示。

A、电机系统在正常工作状态时，电机始终工作接收上位机的指令，当指令正确时，发出的正确信号(pos_ok)存储在微处理器的寄存器中；

B、电机在有位置正常工作状态下，在每个软件开关周期采集位置信号，估计采用10个计算周期，分别得到θ_re(n+T_s),θ_re(n+2T_s),θ_re(n+3T_s),…,θ_re(n+9T_s),θ_re(n+10T_s)，分别计算第一个相邻时刻以及最大相邻时刻的采样周期的位置数值，

当角度偏差满足δ₁＞ε₁,δ₂＞ε₂时，系统产生故障信号；反之，系统正常工作。

C、电机位置传感器——旋转变压器输出的正余弦信号通过AD检测输入到dsp内部，利用dsp内部的计数器对正弦以及余弦信号加以调制，形成pwm脉冲波形，当该pwm脉冲信号同时不在输出信号时判定为系统发生故障。

三、故障状态下的位置以及速度切换：

当永磁同步电机正常运行时，实时按照公式(2)和(8)预估位置和速度，同时按照上文所描述的位置状态判定依据实时监测电机位置的运行状态，当电机位置在检测的过程中发现故障以后，按照以下方法进行转换，如图4所示。

(1)当电机处于转速超过某一设定阈值时，预估位置和实际位置直接切换；预估速度和实际速度也直接切换，即：

当|ω_re|＞ω_ref时，

(2)当电机转速低于设定阈值时，通入直流电，使得电机定位在A相零位处，然后以VVVF的控制方式启动，使得电机转速超过设定阈值，再次切换为图1所示的方式。

其中，风力发电变桨系统的位置传感器采用旋转变压器，其故障检测方法利用检测的位置信号、实际工况以及电压、电流检测信号综合判定；其故障状态下的自驱动控制方法利用了滑模观测器观测反电势、隆伯格观测器获得位置和速度方法，实现了有传感器矢量控制和无传感器矢量控制之间的无缝对接。

图5为本实施例的硬件系统结构图示意图。本实施例的实验硬件由实验室人员自行搭建。采用的主控制芯片为TI公司的tms320f28335，采用C语言编程模式，内部集成A/D转换器、PWM发生器、can通讯接口、SPI接口以及正交编码器接口，驱动板上的核心驱动模块采用了三菱公司的集成智能功率模块PM150CL1A060来实现，其内部集成了6路H桥式IGBT功率单元，且具有过流、过压和过热保护的功率。整体的控制硬件平台包括PC机、DSP控制板、功率驱动器、开关电源以及D/A转换器构成。本实施例系统通过传感器检测永磁同步电机的A、B两相电流，利用DSP芯片内部丰富的资源，在DSP内部完成永磁同步电机双闭环矢量控制算法、无位置传感器矢量控制算法以及位置传感器故障检测及切换算法。

本实施例的系统控制流程如图6所示，依据图6中的控制流程，所有软件算法功能方面相关的程序全部在主中断中执行，该主中断利用pwm的下溢时间中断做为主中断，软件中断频率为10kHz。具体在软件中执行的算法可以分为以下几个步骤：

首先，在风力变桨系统正常工作运行时，永磁同步电机完成有位置传感器下的永磁同步电机矢量控制算法。其中包括：clark坐标变换、park坐标变换、park坐标逆变换、空间矢量脉宽调制技术、速度环pi调节器、电流环pi调节器、位置spi读取技术、AD采样及转换技术、故障保护封锁技术。

其次，在风力变桨系统正常工作运行时，对永磁同步电机系统的位置和速度开展预估工作，具体包括：二阶非奇异终端滑模面数字算法的构建，滑模观测器中静止坐标系下磁链离散化实现算法，基于位置误差信号的抗卷积pi算法，转矩前馈的补偿算法，位置及速度的积分求取方法。

再次，对位置传感器状态的判断方法。设定上位机指令为第一级优先状态，当上位机指令下达以后，立即由有传感器状态进入到无传感器状态；当上位机指令正常时，同时按照实施例内容中故障状态判断的B和C两部分对位置传感器的工作状态加以判断。当在主中断领用实施例内容中提出的位置检测算法检测出相邻中断周期的位置以及相邻10个中断周期的位置出现错误偏差时发出故障指令；同样，主中断检测旋转变压器正余弦信号生成的pwm信号同时为零，也发送故障指令信号。

再次，实现对故障状态下传感器加以切换。其中包括，按照速度设定阈值的直接位置以及速度的位置估算切换算法；当速度比较低时，采用预定位的算法将电机位置锁定在A相轴线处，然后利用VVVF算法将电机在以一定的转速运行，当电机转速超过一定阈值以后再切换到无传感器工作状态。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法，其特征在于，

步骤1：在永磁同步电机运行时，对电机的电磁参数加以检测，检测的内容包括：电机的三相电流、alpha-beta坐标系下的电压以及母线电压、电机的实际位置信号以及旋转变压器的正余弦信号；

步骤2：在永磁同步电机在有位置传感器条件下正常运行时，实时计算电机状态信息，包括：实际转速、预估位置、预估速度、预估反电势；

步骤3：判断永磁同步电机的位置工作状态，并根据工作状态灵活切换有位置和无位置二者之间驱动控制系统的平稳切换；

步骤4：建立无位置传感器矢量控制双闭环条件下永磁同步电机驱动控制方法；

步骤5：在永磁同步电机正常运行时位置传感器输出信号出现故障后，实时将永磁同步电机从有实际位置和转速反馈的矢量控制系统中切换成为利用估算位置和速度信号的无传感器矢量控制模式；当故障信号解除以后，实时将系统从无传感器矢量控制模式切换回有位置矢量控制模式。

2.根据权利要求1所述的用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法，其特征在于，在采用步骤1采集的电流信号ia(n),ib(n)，经过dq轴逆park变换输出的电压信号ualpha(n)，ubeta(n)，通过spi串口获得的电机实际位置信号theta(n)，以及旋变输出正余弦信号sin(n)和cos(n)。

3.根据权利要求1所述的用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法，其特征在于，在采用步骤2计算电机状态变量时，利用了二阶非奇异终端滑模观测器方法来预估电机磁链，首先电机状态模型描述为：

$p\hat{x}=A\hat{x}+Bu+C\·u_{smo}---\left(1\right)$

定义：x＝[i,ψ]^T，i＝[i_α,i_β]^T，u＝[u_α,u_β]^T，ψ＝[ψ_α,ψ_β]^T，其中p＝d/dt为微分算子，I为单位矩阵，J为单位逆矩阵。

C＝[I,C₃]^T

$u_{smo}=\frac{R_s}{L_q}I\·\stackrel{\‾}{i}-{\∫}_0^t\[\frac{q}{\mathrm{\γ}p}{\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{l}}}^{2-p/q}+(l_g+{\mathrm{\η}}_1)\mathrm{sgn}\left(s\right)+{\mathrm{\η}}_{2}s\]d\mathrm{\τ}$

将公式(1)所得预估磁链方程模型离散化，得到预估磁链在静止坐标系下的数值为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\left(n\right)={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}(n-1)-T_s\·\[{\mathrm{\ω}}_{re}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}(n-1)+L_q(u_{smo\mathrm{\α}}+k\·u_{smo\mathrm{\β}})\]\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}\left(n\right)={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}(n-1)+T_s\·\[{\mathrm{\ω}}_{re}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}(n-1)+L_q(k\·u_{smo\mathrm{\α}}-u_{smo\mathrm{\β}})\]\end{array}---\left(2\right)$

然后，根据滑模观测器得到的磁链，构建锁相环结合前馈控制的方法获得位置信号，锁相环误差信号可以表示为：

$E_{rr}\left(n\right)={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}\left(n\right)cos\left({\widehat{\mathrm{\θ}}}_{re}\right)-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\left(n\right)sin\left({\widehat{\mathrm{\θ}}}_{re}\right)={\mathrm{\ψ}}_{m}sin({\mathrm{\θ}}_{re}-{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{re})\≈{\mathrm{\ψ}}_m\mathrm{\Δ}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{re}\left(n\right)---\left(3\right)$

该误差信号和位置信息有关，为了增强对负载扰动的抑制能力，锁相环结合前馈获得位置和速度的方法如下：

$\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{re}\left(n\right)={\widehat{\mathrm{\ω}}}_{re}(n-1)+k_p\[E_{rr}\left(n\right)-E_{rr}(n-1)\]+T_s\·\[k_1{I}_q+k_i\·E_{rr}\left(n\right)\]\\ {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{re}\left(n\right)={\widehat{\mathrm{\θ}}}_{re}(n-1)+T_s\·{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{re}\left(n\right)\end{array}---\left(4\right)$

4.根据权利要求1所述的用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法，其特征在于，在采用步骤3对位置状态进行评判时，利用三重机制加以综合判断，

A、电机系统在正常工作状态时，电机始终工作接收上位机的指令，当指令正确时，发出的正确信号存储在微处理器的寄存器中；

B、电机在有位置正常工作状态下，在每个软件开关周期采集位置信号，估计采用10个计算周期，分别得到θ_re(n+T_s),θ_re(n+2T_s),θ_re(n+3T_s),…,θ_re(n+9T_s),θ_re(n+10T_s)，分别计算第一个相邻时刻以及最大相邻时刻的采样周期的位置数值，

δ₁＝|θ_re(n+2T_s)-θ_re(n+T_s)|

δ₂＝|θ_re(n+10T_s)-θ_re(n+T_s)|

当角度偏差满足δ₁＞ε₁,δ₂＞ε₂时，系统产生故障信号；反之，系统正常工作；

C、电机外部检测的正余弦信号，利用微处理器的AD形成正弦和余弦信号的计数脉冲，当正余弦脉冲生产的任意一个pwm脉冲不在输出信号时，判断为系统发生故障。

5.根据权利要求1所述的用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法，其特征在于，无传感器矢量控制系统由电流环、速度环双闭环构成，检测A和B相电流，构成Clark、Park变换，不同之处在于利用检测的静止坐标系下的电压和电流信号，构建反电势观测器，并估算对应的位置和速度信号，用来参与电流以及速度闭环运算。

6.根据权利要求3或4所述的用于风力发电变桨系统的位置故障容错驱动控制方法，其特征在于，电机位置在检测的过程中发现故障以后，按照以下方法进行转换：

(1)当电机处于转速超过某一设定阈值时，预估位置和实际位置直接切换；预估速度和实际速度也直接切换；

(2)当电机转速低于设定阈值时，通入直流电，使得电机定位在A相零位处，然后以VVVF的控制方式启动，使得电机转速超过设定阈值。