CN109167545B - 永磁同步发电机磁链在线辨识方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁链在线辨识技术领域，是一种永磁同步发电机磁链在线辨识方法与系统，前者包括S101：获取当前运行状态下机侧变流器单元的当前Q轴指令电压值Uq、真实电流值Iq和永磁同步发电机转速值；S102：根据定子电压方程计算反电势值，求平均值或采用低通滤波器得到稳定等效反电势；S103：根据不同转速下的等效反电势，依据差分消除法计算永磁体磁链。本发明利用永磁同步发电机定子电压方程的磁链与反电势关系，并通过电压重构理论和畸变补偿获取真实的永磁同步发电机端定子指令电压，采用转子温度‑电阻关系曲线矫正转子电阻值，计算得到永磁体磁链，提高了永磁同步发电机磁链辨识的准确性。

Description

永磁同步发电机磁链在线辨识方法与系统

技术领域

本发明涉及磁链在线辨识技术领域，是一种永磁同步发电机磁链在线辨识方法与系统。

背景技术

近年来风力发电得到蓬勃发展，装机容量稳步提升，占总电力的比重突破4.1％。风力发电的核心是风机组的智能控制与并网技术，作为其中能量转换的关键装置，变流器的可靠运行至关重要，而基于无传感器矢量控制的机侧变流器控制策略可显著提高机组可靠性。

根据PMSM定子端电压与定子电流的关系，依据电机数学模型来估算转子的位置和速度的方法称为电机的无传感器控制算法。位置估计的误差会造成定子电流解耦得到的转矩和励磁分量的不准确，该情况下会增加逆变器功耗和转矩脉动，若估计误差太大，则有可能造成电机失控。

现有的永磁同步发电机永磁体磁链辨识技术可以分为两类。

第一类为离线参数辨识方法，其需用到另一电机反拖被测电机，测量不同转速下的反电势大小，通过磁链与转速的关系计算永磁体磁链。

第二类为在线参数辨识方法，其无须外部设备，运行过程中通过获取电机运行状态，采用扩展卡尔曼滤波器、最小二乘法、模型参考自适应算法、遗传算法等完成参数的在线辨识。

第一类方法需要拖动电机、测量设备和专用的连接器，操作复杂，工程代价高，时间消耗多。第二类方法较第一类方法省时省力，但基于EK参数辨识方法均需要大量的求逆运算，而基于遗传算法的磁链辨识算法运算性能要求更高，低运算的模型参考自适应系统又存在收敛速度慢的问题，工程实现困难，速度慢，精度差等问题。

发明内容

本发明提供了一种永磁同步发电机磁链在线辨识方法与系统，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有技术中存在的在线磁链辨识时间消耗多，精度差，速度慢的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：该永磁同步发电机磁链在线辨识方法,包括以下步骤：

S101：获取当前运行状态下机侧变流器单元的当前Q轴指令电压值Uq、Q轴真实电流值Iq和电机转速值；

S102：根据定子电压方程计算反电势值，并经过低通滤波器得到稳定等效反电势平均值；

S103：根据不同转速下的近似等效反电势，依据差分消除法计算永磁体磁链。

下面是对上述发明技术方案一的进一步优化或/和改进：

上述S101中，获取当前运行状态下机侧变流器单元的当前Q轴指令电压值Uq、Q轴真实电流值Iq和电机转速值的步骤如下：

S1101：采用相电压重构方法得到真实的Q轴指令电压Uq；采用三相桥驱动器占空比重构相电压值，获得真实的Q轴指令电压值Uq；电压重构方法如下：

根据电机数学模型，电机三相电压表示为：

其中R为定子电阻，L为定子电感，e_a、e_b、e_c为三相反电势；

采用三线制接法，三相电流和、电势和为零，因此

线电压由开关管占空比决定：

D_a，D_b，D_c为一个PWM周期内对应相的占空比；将上式(3)带入(2)得(4)：

将得到的占空比代入上式中重构相电压值，得到指令电压代替实际电压大小，相电压经过坐标变换得到Q轴指令电压Uq；

S1012：检测电机三相电流，通过多次采集筛选后去除异常值，得到的三相电流值经过电流变换单元转换到旋转坐标系下的Q轴真实电流值Iq；

S1013：通过电阻-温度曲线矫正实际电阻值，包括：

(1)通过离线测量永磁同步发电机电阻值Rs，在运行过程中采集环境温度和永磁同步发电机温度；

(2)将电阻-温度曲线线性化；

(3)通过离线温度与当前温度差值补偿的方式矫正永磁同步发电机电阻值R。

上述S102中，计算反电势与等效反电势平均值，具体步骤包括：

S1021：根据电机基频数学模型的电压方程，计算当前反电势；

由定子电压方程，得到永磁同步发电机端dq电压为：

风电变流器大多数情况下均采用i_d＝0的电流控制方式，简化定子电压方程，式(5)可写为：

则能够计算永磁体磁链ψ_f：

由式(7)得出：磁链大小一定，则转速与反电势大小成正比，Q轴电压采用重构指令电压代替，(u_q-R_si_q)相当于等效反电势E；

S1022：将当前速度下一段时间的反电势值经过低通滤波器得到反电势平均值，

采用一阶惯性滤波器，设定截至频率和采样时间，计算滤波系数α，则得到稳定的等效反电势值E_s：

E_s(n)＝αE(n)+(1-α)E_s(n-1) (8)。

上述S103中，永磁体磁链计算流程，具体步骤包括：

S1031：记录不同转速下的等效反电势值；

由于变流器引入了死区时间，因此指令电压与实际输出电压存在误差，在dq同步旋转坐标系下，死区延时对dq轴实际电压的影响为：

采用指令电压u_{q_ref}代替实际电压导致的磁链计算误差为ΔV*D_q，计算磁链误差为：

S1032：获取任意两组转速差分和反电势差分；

在风机组变流器运行的过程中，弱磁转速以下均采用i_d＝0的电流控制策略，在i_d＝0控制时进行永磁体磁链辨识，简化公式如下：

将式(12)代入式(11)，可得式(13)：

D_q只与转子位置角θ相关，随转子位置角波动，而与其他因素无关；一个旋转周期内，任何转速下D_q的平均值大小不变，即：

avg(D_q(θ)|ω_r1)＝avg(D_q(θ)|ω_r2) (14)

于是，两个转速下辨识磁链满足式(15)：

代入式(14)，得：

式(16)中，u_{q1_ref}、u_{q2_ref}和i_q1、i_q2分别是在转速ω_r1、ω_r2下的dq轴电压给定信号和检测的电流信号；

S1033：根据S1032计算永磁体磁链大小的方程，再计算多组不同速度组合下的磁链计算值，并采用多组数据求取平均值得到永磁体磁链大小；

S1034：将永磁同步发电机参数反馈至永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元使用，运用在线辨识得到的磁链大小参与永磁同步发电机控制中，完成整个永磁同步发电机磁链在线辨识。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：该永磁同步发电机磁链在线辨识系统，包括能量源端、机侧变流器单元和永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统；

能量源端向机侧变流器单元提供其所需的母线电压；

机侧变流器单元包括永磁同步发电机、用于测量永磁同步发电机三相电流的电流测量传感器、测量永磁同步发电机运行温度的温度传感器、用于DC/AC电能转换的三相桥模块和用于实现信号连接的三相桥驱动器；电流测量传感器和温度传感器的输出端均与永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统连接，永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统发送三相驱动信号至三相桥驱动器，以用于永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统与三相桥模块的信号连接；

永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统包括永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元、磁链在线辨识运行状态控制单元和基于转子磁链定向的矢量控制装置，永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元用于计算永磁同步发电机的转子转速和转子位置角，以用于向磁链在线辨识运行状态控制单元提供转子转速、向基于转子磁链定向的矢量控制装置提供转子转速和位置角；

所述磁链在线辨识运行状态控制单元用于判断是否完成磁链在线辨识过程，磁链在线辨识完成后更新辨识完成状态；

基于转子磁链定向的矢量控制装置用于根据矢量控制所需的转子转速和位置角，形成控制闭环，以用于控制永磁同步发电机转子转速。

下面是对上述发明技术方案二的进一步优化或/和改进：

上述磁链在线辨识运行状态控制单元包括运行模式切换单元、磁链在线辨识运行状态模块、其他运行状态模块、相电压重构单元、电阻矫正模块、反电势估计单元、永磁体磁链计算单元；

运行模式切换单元接收转速信号，判断永磁同步发电机运行状态；磁链在线辨识运行状态模块控制该时刻的磁链辨识过程，发送使能信号到相电压重构单元，并判断是否完成磁链在线辨识过程，直到完成后更新辨识完成状态并退出辨识流程，相电压重构单元输出参考电压信号到反电势估计单元，电阻矫正模块输出矫正后的电阻信号到反电势估计单元，反电势估计单元获取输入信号，计算永磁体磁链，经处理后获取稳定的反电势值，将反电势信号输入到永磁体磁链计算单元，永磁体磁链计算单元将不同转速下的反电势值记录，求取多组数据下的平均值得到磁链大小，得到的磁链值以用于永磁同步发电机控制。

上述基于转子磁链定向的矢量控制装置包括坐标变换和调制单元、电流变换单元、电流调节器、转速调节器，电流变换单元接收来自电流测量传感器的三相电流信号和来自永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元的转子位置角，以用于自然坐标系到旋转同步坐标系的电流变换，得到旋转坐标系轴下的电流，输出到电流调节器中；转速调节器接收永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元的转速信号，进行PI调节输出电流给定信号到电流调节器中，电流调节器将接收到的信号经过PI调节输出信号到坐标变换和调制单元，经过电压坐标变化和调制输出三相桥开关信号到三相桥驱动器中。

本发明利用永磁同步发电机定子电压方程的磁链与反电势关系，并通过电压重构理论和畸变补偿获取真实的永磁同步发电机端定子指令电压，采用转子温度-电阻关系曲线矫正转子电阻值，计算得到永磁体磁链，提高了永磁同步发电机磁链辨识的准确性。采用基于高频信号注入法的无传感器转子位置和转速估计算法，在低速运行阶段准确估计转子转速和转子位置，同时不受永磁同步发电机参数的影响，与永磁体磁链辨识过程解耦，辨识算法设计简单，而且更准确。

附图说明

附图1为本发明实施例1的整体方法流程图。

附图2为附图1中的S101的流程图。

附图3为附图1中的S102的流程图。

附图4为附图1中的S103的流程图。

附图5为本发明实施例2的整体控制结构示意图。

附图6为本发明实施例2的永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统的控制框图。

附图中的编码分别为：11为机侧变流器单元，12为能量源，13为永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统，131为三相桥开关信号，1101为电流测量传感器，1102为三相桥驱动器，1103为三相桥模块，1104为永磁同步发电机，1105为温度传感器，201为坐标变换和调制单元，202为电流变换单元，203为电流调节器，204为转速调节器，205为永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元，206为运行模式切换单元，207为磁链在线辨识运行状态模块，208为其他运行状态模块，209为相电压重构单元，210为电阻矫正模块，211为反电势估计单元，212为永磁体磁链计算单元；

U为母线电压，R为永磁同步发电机矫正后的电阻值，θ^*为转子位置角，ω^*为转速信号，I_meas为三相电流信号，I_ref为给定参考电流信号，I_{d_meas}为旋转坐标系DQ轴下的电流，L₁₁为状态信号，L₁₂为使能信号，E为反电势信号，

为参考电压信号。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例1：如附图1、2、3、4、5、6所示，一种永磁同步发电机磁链在线辨识方法，包括以下步骤：

S101：获取当前运行状态下机侧变流器单元11的当前Q轴指令电压值Uq、Q轴真实电流值Iq和电机转速值；

S102：根据定子电压方程计算反电势值，并经过低通滤波器得到稳定等效反电势平均值；

S103：根据不同转速下的近似等效反电势，依据差分消除法计算永磁体磁链。

可根据实际需要，对上述永磁同步发电机磁链在线辨识方法作进一步优化或/和改进：

如附图1、2所示，S101中，获取当前运行状态下机侧变流器单元11的当前Q轴指令电压值Uq、Q轴真实电流值Iq和电机转速值的步骤如下：

S1101：采用相电压重构方法得到真实的Q轴指令电压Uq；采用三相桥驱动器1102占空比重构相电压值，获得真实的Q轴指令电压值Uq；电压重构方法如下：

根据电机数学模型，电机三相电压表示为：

其中R为定子电阻，L为定子电感，e_a、e_b、e_c为三相反电势；

采用三线制接法，三相电流和、电势和为零，因此

线电压由开关管占空比决定：

D_a，D_b，D_c为一个PWM周期内对应相的占空比；将上式(3)带入(2)得(4)：

将得到的占空比代入上式中重构相电压值，得到指令电压代替实际电压大小，相电压经过坐标变换得到Q轴指令电压Uq；

S1012：检测电机三相电流，通过多次采集筛选后去除异常值，得到的三相电流值经过电流变换单元202转换到旋转坐标系下的Q轴真实电流值Iq；

S1013：通过电阻-温度曲线矫正实际电阻值，包括：

(1)通过离线测量永磁同步发电机1104电阻值Rs，在运行过程中采集环境温度和永磁同步发电机1104温度；

(2)将电阻-温度曲线线性化；

(3)通过离线温度与当前温度差值补偿的方式矫正永磁同步发电机1104电阻值R。

本发明采用Q轴指令电压代替真实电压计算磁链，因此需要将得到的指令电压尽量接近真实电压。电流调节器203计算得到的Q轴指令电压由于超调等原因，电流调节器203输出值与三相桥驱动器1102处的指令电压不完全相等，因此本发明采用三相桥驱动器1102占空比来重构相电压值，获得最为真实的Q轴指令电压。

具体的，采集到的电流值需要精确，提高传感器采样精度，并通过多次采集筛出异常值，得到的三相电流值经过电流变换单元202转换到旋转坐标系下的Q轴真实电流值Iq。

永磁同步发电机1104电阻值Rs随温度变化而发生变化，根据磁链计算公式，电阻值Rs的误差直接影响计算得到的磁链的大小。因此，通过电阻-温度曲线补偿k*ΔT矫正运行过程中的电阻值，可以提高磁链辨识的精度。具体的，首先通过离线测量永磁同步发电机1104电阻值Rs，在运行过程中采集环境温度，特别是永磁同步发电机1104温度。通过实验室电阻-温度曲线查询当前运行状态下的电阻值，也可以将电阻-温度曲线线性化，通过离线温度与当前温度差值补偿的方式近似矫正永磁同步发电机1104电阻值Rs。

如附图1、3所示，102中，计算反电势与等效反电势平均值，具体步骤包括：

S1021：根据永磁同步发电机1104基频数学模型的电压方程，计算当前反电势；

由定子电压方程，得到永磁同步发电机1104端dq电压为：

风电变流器大多数情况下均采用i_d＝0的电流控制策略，因此可简化定子电压方程，式(5)可写为：

则能够计算永磁体磁链ψ_f：

磁链大小一定，则转速与反电势大小成正比；

此式中Q轴电压采用重构指令电压代替，

相当于等效反电势E。运行过程中计算当前反电势E的值，保存下来。

S1022：将当前速度下一段时间的反电势值经过低通滤波器得到反电势平均值，采用一阶惯性滤波器，设定截至频率和采样时间，计算滤波系数α，则可得稳定的等效反电势值E_s：

E_s(n)＝αE(n)+(1-α)E_s(n-1) (8)。

在实时运行的过程中，获取的指令电压、Q轴电流、转速等信息实时变化，计算得到的反电势也存在波动，为提高磁链辨识精度，此时需要得到稳定的等效反电势值。因此可以采用求平均值的方法，记录一段时间同一速度下的当前反电势值，求平均值后，输出到磁链计算单元。其中，较为优选的获取稳定的反电势值的方法是采用低通滤波器的方法，持续获得稳定的反电势，消除异常抖动。

如附图1、4所示，S103中，永磁体磁链计算流程，具体步骤包括：

S1031：记录不同转速下的等效反电势值；

由于变流器引入了死区时间，因此指令电压与实际输出电压存在误差，在dq同步旋转坐标系下，死区延时对dq轴实际电压的影响为：

采用指令电压u_{q_ref}代替实际电压，导致的磁链计算误差为ΔV*D_q，计算磁链误差为：

S1032：获取任意两组转速差分和反电势差分；

在风机组变流器运行的过程中，弱磁转速以下均采用i_d＝0的电流控制策略，在i_d＝0控制时进行永磁体磁链辨识，简化公式如下：

将式(12)代入式(11)，可得式(13)：

D_q只与转子位置角θ相关，随转子位置角波动，而与其他因素无关；一个旋转周期内，任何转速下D_q的平均值大小不变，即：

avg(D_q(θ)|ω_r1)＝avg(D_q(θ)|ω_r2) (14)

于是，两个转速下辨识磁链满足式(15)：

代入式(14)，得：

式(16)中，u_{q1_ref}、u_{q2_ref}和i_q1、i_q2分别是在转速ω_r1、ω_r2下的dq轴电压给定信号和检测的电流信号；

S1033：根据S1032计算永磁体磁链大小的方程，再计算多组不同速度组合下的磁链计算值，并采用多组数据求取平均值得到永磁体磁链大小；

根据式(16)任意两个不同转速下的等效反电势的差分与速度差分的比值即为永磁体磁链的值。

S1034：将永磁同步发电机1104参数反馈至永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元205使用，运用磁链在线辨识运行状态模块207得到的磁链大小参与永磁同步发电机1104控制中，完成整个永磁同步发电机1104磁链在线辨识。

上述S1031由于实际器件IGBT非理想开关特性，影响变流器实际输出电压的还有开通时间、关断时间，直流母线电压波动、IGBT管压降等。这些因素都会直接对实际电压产生影响，但是这些因素又分为很多情况，在不同外部条件下表现不同，不好量化。其二是电流这一因素受实际运行条件和采样电路影响较大，AD采样精度，量化误差，电流较小时的信噪比很低，都是造成实际电流检测误差大的因素。综上所述，不能采用量化死区影响误差进行补偿的方法。

根据式(16)任意两个不同转速下的等效反电势的差分与速度差分的比值即为永磁体磁链的值。由于变流器非理想的实际误差是存在的，且这种误差不易量化，但是这种误差在不同转速段是恒定的，采用这种方法的思想是不需要量化误差是多少，只需要使用两种转速下的磁链估计，他们的差分就消除了变流器非理想的实际误差。计算多组不同速度组合下的磁链计算值，求平均值便能得到更加准确的永磁体磁链大小。

磁链辨识流程完成后，更新完成状态，存储磁链大小，发送信号给运行模式切换单元206。运行模式切换单元206获取到磁链大小，切换运行模式到其他模式，运用在线辨识到的磁链大小参与永磁同步发电机1104无传感器控制中，完成整个永磁同步发电机1104磁链在线辨识功能。

实施例2：如图5、6所示，一种永磁同步发电机磁链在线辨识系统，包括能量源端12、机侧变流器单元11和永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统13；

能量源端12向机侧变流器单元11提供其所需的母线电压；

机侧变流器单元11包括永磁同步发电机1104、用于测量永磁同步发电机1104三相电流的电流测量传感器1101、测量永磁同步发电机1104运行温度的温度传感器1105、用于DC/AC电能转换的三相桥模块1103和用于实现信号连接的三相桥驱动器1102；电流测量传感器1101和温度传感器1105的输出端均与永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统13连接，永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统13发送三相桥开关信号至三相桥驱动器1102，以用于永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统13与三相桥模块1103的信号连接；

永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统13包括永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元205、磁链在线辨识运行状态控制单元和基于转子磁链定向的矢量控制装置，永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元205用于计算永磁同步发电机1104的转子转速和转子位置角，以用于向磁链在线辨识运行状态控制单元提供转子转速、向基于转子磁链定向的矢量控制装置提供转子转速和位置角；

所述磁链在线辨识运行状态控制单元用于判断是否完成磁链在线辨识过程，磁链在线辨识完成后更新辨识完成状态；

基于转子磁链定向的矢量控制装置用于根据矢量控制所需的转子转速和位置角，形成控制闭环，以用于控制永磁同步发电机1104转子转速。

上述永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元205可采用基于高频信号注入法的无传感器转子位置和转速估计算法，计算转子转速和转子位置角。上述能量源12可包括制动单元及控制系统、网侧变流器及控制系统，均为现有公知技术。

可根据实际需要，对上述永磁同步发电机磁链在线辨识系统作进一步优化或/和改进：

如附图5、6所示，磁链在线辨识运行状态控制单元包括运行模式切换单元206、磁链在线辨识运行状态模块207、其他运行状态模块208、相电压重构单元209、电阻矫正模块210、反电势估计单元211、永磁体磁链计算单元212；

运行模式切换单元206接收转速信号ω^*，判断永磁同步发电机1104运行状态，磁链在线辨识运行状态模块207控制该时刻的磁链辨识过程，发送使能信号L₁₂到相电压重构单元209，并判断是否完成磁链在线辨识过程，直到完成后更新辨识完成状态并退出辨识流程，相电压重构单元209输出参考电压信号

到反电势估计单元211。电阻值随运行环境温度值变化，在此采用离线测量永磁同步发电机1104电阻R_s后，在运行过程中，通过实时温度采集，补偿k*ΔT来矫正准确的电阻。即电阻矫正模块210输出参考矫正后的电阻信号R到反电势估计单元211。Q轴电流信号可从电流变化单元202中得到，转子转速值值来自于永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元205。反电势估计单元211得到必需的输入信号，根据公式计算磁链大小，求取平均值或滤波获得稳定的反电势值。将反电势信号E输入到永磁体磁链计算单元212中。永磁体磁链计算单元212将不同转速下的反电势值记录，求取多组数据下的平均值得到磁链大小，得到的磁链值参与到后续的永磁同步发电机1104控制过程中。

上述运行模式切换单元206接收转速信号ω^*，判断永磁同步发电机1104运行状态，若永磁同步发电机1104转速在低速段采用基于高频信号注入法的无传感器转子位置和转速估计算法，用于永磁同步发电机1104矢量控制，此时发送状态信号L₁₁到磁链在线辨识运行状态模块207，磁链在线辨识运行状态模块207控制此时的磁链辨识过程，发送使能信号L₁₂到相电压重构单元209，并判断是否完成磁链在线辨识过程，直到完成后更新辨识完成状态并退出辨识流程；

上述若永磁同步发电机1104转速在高速段进入其他运行状态模块208，通过辨识得到的磁链值参与永磁同步发电机1104控制过程中。

相电压重构单元209、电阻矫正模块210、反电势估计单元211和永磁体磁链计算单元212用于永磁同步发电机1104磁链在线辨识计算。

上述反电势估计单元211采用基于电机基频数学模型的反电势估计算法计算永磁体磁链；

根据电机基频数学模型的电压方程，在i_d＝0的电流控制策略下，计算永磁体磁链，公式为：

其中，u_q为Q轴真实电压、R_s为永磁同步发电机定子电阻值、i_q为Q轴电流、ω_r为转子转速。

如附图5、6所示，基于转子磁链定向的矢量控制装置包括坐标变换和调制单元201、电流变换单元202、电流调节器203、转速调节器204，电流变换单元202接收来自电流测量传感器1101的三相电流信号I_meas和来自永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元205的转子位置角θ^*，进行自然坐标系到旋转同步坐标系的电流变换，得到旋转坐标系DQ轴下的电流I_dq-meas，输出到电流调节器203中；转速调节器204接收永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元205的转速信号ω^*，进行PI调节输出给定参考电流信号I_ref到电流调节器203中，电流调节器203将接收到的信号经过PI调节输出信号U_ref到坐标变换和调制单元201，经过电压坐标变化和SVPWM调制输出三相桥开关信号S₁-S₆到三相桥驱动器1102中。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (6)

1.一种永磁同步发电机磁链在线辨识方法，其特征在于包括以下步骤：

S101：获取当前运行状态下机侧变流器单元的当前Q轴指令电压值Uq、Q轴真实电流值Iq和电机转速值；

S102：根据定子电压方程计算反电势值，求均值并经过低通滤波器得到稳定等效反电势值；

S103：根据不同转速下的等效反电势值，获取任意两组转速差分和反电势差分，利用差分消除法计算永磁体磁链，具体包括：

S1031：记录不同转速下的等效反电势值；

由于变流器引入了死区时间，因此指令电压与实际输出电压存在误差，在dq同步旋转坐标系下，死区延时对dq轴实际电压的影响为：

其中u_d、u_q为永磁同步发电机直轴和交轴的电压；i_d、i_q为直轴和交轴的电流；ω_r为转速；R_s为定子电阻；L_d、L_q为直轴和交轴的电感；ψ_f为永磁体磁链；

采用指令电压u_{q_ref}代替实际电压，导致磁链计算误差为ΔV*D_q，计算磁链误差为：

其中ω_r为转速；ΔV为指令电压和实际电压之间的电压差；D_q为交轴占空比；ω_r为转速

S1032：获取任意两组转速差分和反电势差分；

在风机组变流器运行的过程中，弱磁转速以下均采用i_d＝0的电流控制策略，在i_d＝0控制时进行永磁体磁链辨识，简化公式如下：

其中i_A、i_B、i_C为三相电流；

将式(12)代入式(11)，可得式(13)：

D_q只与转子位置角θ相关，随转子位置角波动，而与其他因素无关；一个旋转周期内，任何转速下D_q的平均值大小不变，即：

avg(D_q(θ)|ω_r1)＝avg(D_q(θ)|ω_r2) (14)

其中θ为转子位置角；ω_r1、ω_r2为转速；

于是，两个转速下辨识磁链满足式(15)：

代入式(14)，得：

其中u_{q1_ref}、u_{q2_ref}和i_q1、i_q2分别是在转速ω_r1、ω_r2下直轴和交轴的电压给定信号和检测电流信号；u_q1、u_q2为在转速ω_r1、ω_r2下的交轴电压；D_q、D_q为直轴和交轴的占空比；R_s为定子电阻；

S1033：根据S1032计算永磁体磁链大小的方程，再计算多组不同速度组合下的磁链计算值，并采用多组数据求取平均值得到永磁体磁链大小；

S1034：将永磁同步发电机参数反馈至永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元使用，运用在线辨识得到的磁链大小参与永磁同步发电机控制中，完成整个永磁同步发电机磁链在线辨识。

2.根据权利要求1所述的永磁同步发电机磁链在线辨识方法，其特征在于S101中，获取当前运行状态下机侧变流器单元的当前Q轴指令电压值Uq、Q轴真实电流值Iq和电机转速值的步骤如下：

S1101：采用相电压重构方法得到真实的Q轴指令电压Uq；采用三相桥驱动器占空比重构相电压值，获得真实的Q轴指令电压值Uq；电压重构方法如下：

根据电机数学模型，电机三相电压表示为：

其中R为定子电阻，L为定子电感，e_a、e_b、e_c为三相反电势；V_a、V_b、V_c为线电压，I_a、I_b、I_c为线电流；

采用三线制接法，三相电流和、电势和为零，因此

线电压由开关管占空比决定：

其中D_a，D_b，D_c为一个PWM周期内对应相的占空比；U_dc为整流后的最低直流电压；

将上式(3)带入(2)得(4)：

将得到的占空比代入上式中重构相电压值，得到指令电压代替实际电压大小，相电压经过坐标变换得到Q轴指令电压Uq；

S1012：检测电机三相电流，通过多次采集筛选后去除异常值，得到的三相电流值经过电流变换单元转换到旋转坐标系下的Q轴真实电流值Iq；

S1013：通过电阻-温度曲线矫正实际电阻值，包括：

(1)通过离线测量永磁同步发电机电阻值Rs，在运行过程中采集环境温度和永磁同步发电机温度；

(2)将电阻-温度曲线线性化；

(3)通过离线温度与当前温度差值补偿的方式矫正永磁同步发电机电阻值R。

3.根据权利要求1或2所述的永磁同步发电机磁链在线辨识方法，其特征在于S102中，计算反电势与等效反电势平均值，具体步骤包括：

S1021：根据永磁同步发电机基频数学模型的电压方程，计算当前反电势；

由定子电压方程，得到永磁同步发电机端dq电压为：

其中u_d、u_q为永磁同步发电机直轴和交轴的电压；i_d、i_q为直轴和交轴的电流；ω_r为转速；R_s为定子电阻；L_d、L_q为直轴和交轴的电感；ψ_f为永磁体磁链；

风电变流器大多数情况下均采用i_d＝0的电流控制方式，简化定子电压方程，式(5)可写为：

其中u_d、u_q为永磁同步发电机直轴和交轴的电压；i_d、i_q为直轴和交轴的电流；ω_r为转速；R_s为定子电阻；L_d、L_q为直轴和交轴的电感；ψ_f为永磁体磁链；

则能够计算永磁体磁链ψ_f：

其中u_q为永磁同步发电机交轴的电压；i_q为交轴的电流；ω_r为转速；R_s为定子电阻；L_q为交轴的电感；ψ_f为永磁体磁链；

由式(7)得出：磁链大小一定，则转速与反电势大小成正比，Q轴电压采用重构指令电压代替，(u_q-R_si_q)相当于等效反电势E；

S1022：将当前速度下一段时间的反电势值经过低通滤波器得到反电势平均值，

采用一阶惯性滤波器，设定截至频率和采样时间，计算滤波系数α，则得到稳定的等效反电势值E_s：

E_s(n)＝αE(n)+(1-α)E_s(n-1) (8)

其中E(n)为第n时段的等效反电势；E_s(n-1)为第n-1时段的稳定的等效反电势值。

4.一种根据权利要求1至3中任意一项所述永磁同步发电机磁链在线辨识方法的永磁同步发电机磁链在线辨识系统，其特征在于包括能量源端、机侧变流器单元和永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统；

能量源端向机侧变流器单元提供其所需的母线电压；

机侧变流器单元包括永磁同步发电机、用于测量永磁同步发电机三相电流的电流测量传感器、测量永磁同步发电机运行温度的温度传感器、用于DC/AC电能转换的三相桥模块和用于实现信号连接的三相桥驱动器；电流测量传感器和温度传感器的输出端均与永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统连接，永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统发送三相驱动信号至三相桥驱动器，以用于永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统与三相桥模块的信号连接；

永磁同步发电机磁链在线辨识的机侧变流器控制系统包括永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元、磁链在线辨识运行状态控制单元和基于转子磁链定向的矢量控制装置，永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元用于计算永磁同步发电机的转子转速和转子位置角，以用于向磁链在线辨识运行状态控制单元提供转子转速、向基于转子磁链定向的矢量控制装置提供转子转速和位置角；

磁链在线辨识运行状态控制单元用于判断是否完成磁链在线辨识过程，磁链在线辨识完成后更新辨识完成状态；

基于转子磁链定向的矢量控制装置用于根据矢量控制所需的转子转速和位置角，形成控制闭环，以用于控制永磁同步发电机转子转速。

5.根据权利要求4所述的永磁同步发电机磁链在线辨识系统，其特征在于磁链在线辨识运行状态控制单元包括运行模式切换单元、磁链在线辨识运行状态模块、其他运行状态模块、相电压重构单元、电阻矫正模块、反电势估计单元、永磁体磁链计算单元；

运行模式切换单元接收转速信号，判断永磁同步发电机运行状态；磁链在线辨识运行状态模块控制该时刻的磁链辨识过程，发送使能信号到相电压重构单元，并判断是否完成磁链在线辨识过程，直到完成后更新辨识完成状态并退出辨识流程，相电压重构单元输出参考电压信号到反电势估计单元，电阻矫正模块输出矫正后的电阻信号到反电势估计单元，反电势估计单元获取输入信号，计算永磁体磁链，经处理后获取稳定的反电势值，将反电势信号输入到永磁体磁链计算单元，永磁体磁链计算单元将不同转速下的反电势值记录，求取多组数据下的平均值得到磁链大小，得到的磁链值以用于永磁同步发电机控制。

6.根据权利要求4或5所述的永磁同步发电机磁链在线辨识系统，其特征在于基于转子磁链定向的矢量控制装置包括坐标变换和调制单元、电流变换单元、电流调节器、转速调节器，电流变换单元接收来自电流测量传感器的三相电流信号和来自永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元的转子位置角，以用于自然坐标系到旋转同步坐标系的电流变换，得到旋转坐标系轴下的电流，输出到电流调节器中；转速调节器接收永磁同步发电机转子转速和转子位置角计算单元的转速信号，进行PI调节输出电流给定信号到电流调节器中，电流调节器将接收到的信号经过PI调节输出信号到坐标变换和调制单元，经过电压坐标变化和调制输出三相桥开关信号到三相桥驱动器中。

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