CN112886885B - 风力发电机组的永磁同步发电机控制方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种风力发电机组的永磁同步发电机控制方法、装置和系统，包括：获取永磁同步发电机输出端的当前电流信息；根据当前转速信息，确定永磁同步发电机的当前电压信息；将当前电压信息和当前电流信息作为永磁同步发电机的速度观测器的输入，观测永磁同步发电机转动的角度和角速度；将角度和角速度作为永磁同步发电机的电流控制环的输入，通过旋转坐标变换得到电流控制环的反馈电流，以启动电流控制环，并将速度观测器的输入中的电压信息替换成电流控制环输出的电压参考信号，同时根据电压参考信号进行调制，使得永磁同步发电机进入被控状态；基于反馈电流，调整电流控制环的PI参数，直至反馈电流小于预设电流阈值，启动控制程序结束。

Description

风力发电机组的永磁同步发电机控制方法、装置和系统

技术领域

本申请涉及风力发电机组领域，尤其涉及一种风力发电机组的永磁同步发电机控制方法、装置和系统。

背景技术

当前，面对日益加剧的生态与环境危机，大力发展风电，已逐渐成为实现绿色低碳发展和生态文明建设目标的关键支撑。由于目前海上风电资源相对丰富，具备较大的潜在开发量，得到了研究人员和企业的广泛关注。永磁同步发电机作为海上直驱风永磁同步发电机组的关键组成部分，其控制通常采用转子定向的空间矢量调制方式，该控制方式需要使用转子角度信息进行坐标变换，最终实现电流控制环的dq轴独立控制。其中，将永磁同步发电机的转子磁极产生的磁场N极中心轴线作为直轴d，超前直轴90°电角度的位置定义为交轴q。

传统的获取转子角度信息的是通过安装在永磁同步发电机上的速度编码器获取相关信息，但是考虑到风力发电机组的运行工况比较恶劣，速度编码器故障率较高，极大地影响风力发电机组的发电效率，并增加运维成本。为解决该问题，现已有相对成熟的无速度传感器的控制方式应用于永磁同步发电机控制中。当前主流的速度观测器在永磁同步发电机启动期间需要使用永磁同步发电机端电压信息，这需要在永磁同步发电机端安装电压传感器，以获取永磁同步发电机端电压信息。但是随着永磁同步发电机逐渐被应用于海上，其恶劣的海上风场环境，使得电压传感器的故障率急剧增大，增加了海上运维成本。

发明内容

本申请提供一种风力发电机组的永磁同步发电机控制方法、装置和系统。

具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：

根据本申请实施例的第一方面，提供一种风力发电机组的永磁同步发电机控制方法，所述方法包括：

在永磁同步发电机处于空转状态，若接收到所述风力发电机组的主控下发的启机指令和所述永磁同步发电机的当前转速信息，则进入所述永磁同步发电机的启动控制程序；

所述启动控制程序包括：

获取所述永磁同步发电机输出端的当前电流信息；

根据所述当前转速信息，确定所述永磁同步发电机的当前电压信息；

将所述当前电压信息和所述当前电流信息作为所述永磁同步发电机的速度观测器的输入，观测所述永磁同步发电机转动的角度和角速度；

将所述角度和所述角速度作为所述永磁同步发电机的电流控制环的输入，通过旋转坐标变换得到电流控制环所使用的反馈电流，以启动所述电流控制环，并将所述速度观测器的输入中的电压信息替换成所述电流控制环输出的电压参考信号，同时根据所述电压参考信号进行调制，使得所述永磁同步发电机进入被控状态；

基于所述反馈电流，调整所述电流控制环的PI参数，直至所述反馈电流小于预设电流阈值，所述启动控制程序结束。

可选地，所述反馈电流包括所述永磁同步发电机的直轴d和交轴q的反馈电流。

可选地，所述电流控制环未启动之前，所述电流控制环所使用的角速度为对所述速度观测器观测到的角速度进行滤波处理获得的角速度，并实时更新。

可选地，所述电流控制环启动的时刻至所述启动控制程序结束的时刻，所述电流控制环所使用的角速度为所述电流控制环启动前最近一个控制周期的滤波后的角速度。

可选地，所述启动控制程序结束之后，所述电流控制环所使用的角速度为所述速度观测器观测到的实时角速度。

可选地，所述基于所述反馈电流，调整所述电流控制环的PI参数，直至所述反馈电流小于预设电流阈值，包括：

基于所述反馈电流，调整所述电流控制环的PI参数，直至在预设时间段内，所述反馈电流小于预设电流阈值。

可选地，所述调整所述电流控制环的PI参数，包括：

基于模型法和/或规则法调整所述电流控制环的PI参数。

可选地，所述调制为PWM调制。

可选地，所述方法还包括：

对所述永磁同步发电机的直轴d的输出电压和交轴q的输出电压进行解耦；

其中，所述电压参考信号为基于解耦后的直轴d的输出电压和交轴q的输出电压确定。

可选地，所述方法还包括：

将所述角速度作为所述电流控制环的PI调节器的前馈输入；

可选地，所述启动控制程序结束之后，还包括：

在所述被控状态，基于外部的给定转矩控制所述电流控制环。

可选地，所述速度观测器基于以下算法中的至少一种算法确定所述角度和所述角速度：

锁相环算法，模型参考自适应法，滑膜观测器法，数学模型状态观测器法，自适应观测器法，扩展卡尔曼滤波器法。

可选地，所述启机指令及所述当前转速信息为所述主控在确定出所述风力发电机组的转速位于所述风力发电机组的最小切入速和最大切出速之间时下发。

可选地，所述当前电流信息为基于所述永磁同步发电机上的电流传感器检测获得。

可选地，所述当前电流信息为所述空转状态下的所述永磁同步发电机的当前电流的有效值、瞬时值或平均值。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种风力发电机组的永磁同步发电机控制装置，包括一个或多个处理器，用于实现第一方面任一项所述的方法。

根据本申请实施例的第三方面，提供一种风力发电机组的永磁同步发电机控制系统，包括主控和第二方面所述的永磁同步发电机控制装置，所述主控与所述永磁同步发电机控制装置的处理器电连接。

根据本申请实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现第一方面任一项所述的方法。

根据本申请实施例提供的技术方案，在永磁同步发电机空转状态下，根据主控下达的启机指令和永磁同步发电机的当前转速信息即可进入永磁同步发电机的启动控制程序，在启动控制程序过程中，根据当前转速信息可以确定永磁同步发电机的当前电压信息，再获取永磁同步发电机输出端的当前电流信息，这样，速度观测器就可以观测到永磁同步发电机的角度和角速度，然后输入电流控制环，通过旋转坐标变换得到电流控制环所使用的反馈电流，从而启动电流控制环，并将速度观测器的输入中的电压信息替换成电流控制环输出的电压参考信号，同时启动调制输出，使得永磁同步发电机进入被控状态，再基于反馈电流，调整电流内环PI参数，形成一个自闭环观测系统进行实时调节，确保观测到的角度准确，保证系统的稳定运行，通过本申请所提的控制策略能够省去永磁同步发电机侧的电压传感器，减少硬件成本，同时提高风力发电机组的运行稳定性和可靠性，可以减小不必要的海上运维次数，降低海上运维成本，提高风电系统运行效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是目前的风力发电机组的永磁同步发电机侧控制算法启动永磁同步发电机并控制运行的系统框图；

图2是本申请一示例性实施例示出的一种永磁同步发电机控制方法的流程示意图；

图3是本申请一示例性实施例示出的一种主控的流程示意图；

图4是本申请一示例性实施例示出的一种永磁同步发电机启动控制程序的流程示意图；

图5是本申请一示例性实施例示出的一种d轴的虚拟位置至真实位置的示意图；

图6是本申请一示例性实施例示出的一种永磁同步发电机控制系统的结构框图；

图7是本申请一示例性实施例示出的一种风力发电机组的永磁同步发电机控制装置的结构框图。

具体实施方式

图1是目前的风力发电机组的永磁同步发电机侧控制算法启动永磁同步发电机并控制运行的系统框图，使用电流传感器检测永磁同步发电机输出端相电流信息，使用电压传感器检测线电压信息，将检测到的电流信息和电压信息送入到速度观测器内，速度观测器根据检测到的电压信息和电流信息估测出发永磁同步发电机的当前角度和当前角速度信息。整个启动过程中，如果电压传感器出现故障的话，会引起整个系统启动失败。需要说明的是，图1中，i_abc为永磁同步发电机端口ABC三相瞬时相电流，u_abc为永磁同步发电机端口ABC三相瞬时线电压，

和

分别为两相旋转坐标轴下的电流指令值(即目标电流)，i_d和i_q分别为两相旋转坐标轴下的电流反馈值(即反馈电流)，ω和θ分别为永磁同步发电机的角速度和角度。针对目前因电压传感器故障影响整个系统可靠性的问题，常规的处理方式是暂时停掉该机组的运行，由运维工作人员更换电压传感器，但是整个更换过程会带来较大的经济损失。

对于此，本申请实施例的风力发电机组的永磁同步发电机控制方法、装置和系统，在永磁同步发电机空转状态下，根据主控下达的启机指令和永磁同步发电机的当前转速信息即可进入永磁同步发电机的启动控制程序，在启动控制程序过程中，根据当前转速信息可以确定永磁同步发电机的当前电压信息，再获取永磁同步发电机输出端的当前电流信息，这样，速度观测器就可以观测到永磁同步发电机的角度和角速度，然后输入电流控制环，通过旋转坐标变换得到电流控制环所使用的反馈电流，从而启动电流控制环，并将速度观测器的输入中的电压信息替换成电流控制环输出的电压参考信号，同时启动调制输出，使得永磁同步发电机进入被控状态，再基于反馈电流，调整电流内环PI参数，形成一个自闭环观测系统进行实时调节，确保观测到的角度准确，保证系统的稳定运行，通过本申请所提的控制策略能够省去永磁同步发电机侧的电压传感器，减少硬件成本，同时提高风力发电机组的运行稳定性和可靠性，可以减小不必要的海上运维次数，降低海上运维成本，提高风电系统运行效率。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

下面结合附图，对本申请的风力发电机组的永磁同步发电机控制方法、装置和系统进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

本申请实施例提供一种风力发电机组的永磁同步发电机控制方法，本申请实施例的风力发电机组的永磁同步发电机控制方法的执行主体可以为永磁同步发电机的机侧控制器，也可以为设于永磁同步发电机上的独立控制器。

请参见图2，所述方法可以包括：

S11、在永磁同步发电机处于空转状态下，若接收到风力发电机组的主控下发的启机指令和永磁同步发电机的当前转速信息，则进入永磁同步发电机的启动控制程序。

启机指令及当前转速信息可以为主控在确定出风力发电机组的转速(本文简称风机转速)位于风力发电机组的最小切入速和最大切出速之间时下发，即主控在确定出风机转速大于最小切入速，并小于最大切出速时，下发启机指令及当前转速信息至永磁同步发电机，确保风力发电机组的安全启动。可选地，风机转速为基于风速感器(如风速仪)监控的风力发电机组的风速信息确定，该风速传感器可设于风力发电机组的塔筒外侧壁，也可以设于风力发电机组的其他位置，或者也可不设于风力发电机组，而设于风力发电机组的周围区域。

在另外一些实施例中，主控在用户的指示下下发启机指令及当前转速信息至永磁同步发电机，例如用户在确保风力发电机组能够安全启动的情况下，按下风力发电机组的启机按键，从而指示主控下发启机指令至永磁同步发电机。

请参见图3，在一可行的实施例中，主控包括如下步骤：

(1)、电机处于空转状态，基于风速仪监控风力发电机组的风速信息，根据风速信息确定风机转速，并通过永磁同步发电机上安装的速度传感器，获取电机的转速信息。

(2)、根据最小切入速和最大切出速，判断当前是否满足启机要求；具体是风机转速大于最小切入速，并小于最大切出速时，满足启机要求，否则，不满足启机要求。

(3)、若不满足，继续等待；若满足，下发启机指令及当前转速信息到永磁同步发电机，同时将转速信息下发到永磁同步发电机内。

当前转速信息为主控通过永磁同步发电机上的速度传感器检测获得，也可以为主控通过其他方式获得，如大数据训练获得。应当理解的是，本申请实施例的当前转速信息的精度可以不需太高，因此可以降低硬件成本。请参见图4，永磁同步发电机的启动控制程序可包括如下步骤：

S111、获取永磁同步发电机输出端的当前电流信息。

本申请实施例的当前电流信息为基于永磁同步发电机上的电流传感器检测获得，本申请实施例对电流传感器的类型不做具体限定。其中，当前电流信息为空转状态下的永磁同步发电机的当前电流的有效值、瞬时值或平均值。

S112、根据当前转速信息，确定永磁同步发电机的当前电压信息。

其中，基于当前转速信息，确定当前电压信息可采用现有方式，本申请实施例对此不做限定。

步骤S111和步骤S112可以同时执行，也可以先后执行，如先执行步骤S111，再执行步骤S112，或者先执行步骤S112，再执行步骤S111。

S113、将当前电压信息和当前电流信息作为永磁同步发电机的速度观测器的输入，观测永磁同步发电机转动的角度和角速度。

速度观测器可基于以下算法中的至少一种算法观测角度和角速度：锁相环算法，模型参考自适应法，滑膜观测器法，数学模型状态观测器法，自适应观测器法，扩展卡尔曼滤波器法。当然，速度观测器也可以采用其他算法来观测角度和角速度。

S114、将角度和角速度作为永磁同步发电机的电流控制环的输入，通过旋转坐标变换得到电流控制环所使用的反馈电流，以启动电流控制环，并将速度观测器的输入中的电压信息替换成电流控制环输出的电压参考信号，同时根据电压参考信号进行调制，使得永磁同步发电机进入被控状态。

至此，形成自闭环控制系统。

反馈电流可包括永磁同步发电机的直轴d和交轴q的反馈电流，提高电流控制环的PI参数调整的准确度；应当理解的是，反馈电流也可以仅包括直轴d的反馈电流或者交轴q的反馈电流。

本实施例以反馈电流包括永磁同步发电机的直轴d和交轴q的反馈电流，这样，步骤S114中的坐标变换即为dq坐标变换。

可选地，电流控制环中dq坐标变换所使用的角度为以永磁体磁链ψ_f为d轴定向的角度，请参见图5，该角度为永磁体磁链ψ_f的真实位置d_actual与永磁同步发电机的A相之间夹角θ_actual。图5中，d_master为旋转d轴的虚拟位置，d_actual为旋转d轴的真实位置，q_master为旋转d轴的虚拟位置，q_actual为旋转d轴的真实位置。

可选地，请参见图6，步骤S114中的调制为PWM调制，PWM调制后的电压参考信号经变换器将输入永磁同步发电机，这样，永磁同步发电机即进入被控状态。应当理解的是，步骤S114中的调制也可以为其他信号调制方式。

S115、基于反馈电流，调整电流控制环的PI参数，直至反馈电流小于预设电流阈值，启动控制程序结束。

在电机处于空载状态下，电流控制环的目标电流(即图6中的

)大小为0，理想状态下，反馈电流(即图6中的i_q、i_d)也为0。尽管采用的永磁同步发电机在空转状态下的当前电压信息的幅值和频率准确，但是永磁同步发电机在空转状态下的当前电压信息与永磁同步发电机在空转状态下的真实电压信息可能会存在一个固定的相位差，该相位差最终反映到角度误差，而角度误差与电流控制环的电流误差存在相对应的关系，因此，本申请实施例基于反馈电流，调整电流控制环的PI参数，直至反馈电流小于预设电流阈值，逐渐消除电流控制环的电流误差，从而确保速度观测器观测的角度的准确性，确保系统稳定运行。反馈电流小于预设电流阈值也说明速度观测器和电流控制环启动完成，如果不满足，则继续调整。在永磁同步发电机的启动过程中，机侧控制器仅需知道当前电机转速信息(精度不需太高)，之后的角速度和角度通过调节速度观测器和电流控制环形成自闭环控制系统，自动校正。

预设电流阈值可为一个接近0的数值大小，预设电流阈值的大小可以根据需要设置。

一示例性的实施例中，请参见图5和图6，永磁同步发电机可以包括如下步骤：

(1)、接受来自于主控下达的启机指令，同时接受主控下发的当前转速信息(n_mast_er)，此时电机处于空转未控制状态(即空转状态)；

(2)、根据主控下发的n_mast_er、电机参数和永磁同步发电机的控制器中断执行时间，得到永磁同步发电机端的当前电压信息u_mast_er，由于永磁同步发电机未受控制，此时永磁同步发电机的目标电流在零附近，永磁同步发电机启动之前首先使用速度观测器基于当前电压信息和当前电流信息观测得到此时电机的角度和角速度。

控制环路中dq坐标变换使用的角度为以永磁体磁链ψ_f为d轴定向的角度，该角度为永磁体磁链ψ_f的当前位置d_actual与永磁同步发电机的A相之间夹角θ_actual。当速度观测器采用u_master作为电压信息得到角度θ_master和角速度ω_master时，其中角速度ω_master为准确，而角度θ_master为虚拟角度，其与真实角度θ_actual相差固定相位但两者同频率空间旋转，这主要是由于尽管采用的电压信息的幅值和频率准确，但是其与真实电压信息可能会存在一个固定的相位差，该相位差最终反映到角度误差上的表达式如下：

θ_error＝θ_master-θ_actual (1)；

其中，θ_error为角度误差。

角度误差θ_error的范围不同，对永磁同步发电机的控制性能具有较大的影响，当θ_error较小时，如果使用θ_master作为电流控制环中坐标变换使用的角度，会导致控制效率降低，总电流幅值增大；当θ_error较大时，永磁同步发电机的运行情况进一步恶劣，会使得永磁同步发电机的控制器发散。

由于上述θ_error的存在，影响电机控制性能，实际使用时，采用上述方法得到θ_master不能直接使用。综合上述可以知道，如果将虚拟角度与真实角度之间的恒定误差值θ_error降为0，即可满足控制要求。

(3)、启动电流控制环，并将速度观测器的输入中的电压信息由u_mast_er切换为电流控制环输出的电压参考信号

α、β为两相静止坐标轴的坐标轴表示符，同时启动PWM调制，永磁同步发电机开始处于被控状态，永磁同步发电机端口电流传感器实时检测三相电流并输入到速度观测器内。此时速度观测器观测到的角度信息为θ_master趋近于θ_actual的过度状态角度θ_transit，使用θ_transit作为坐标变换的输入角度，将三相电流转换为旋转坐标系下的dq轴电流作为电流控制环的反馈。至此，整个启动闭环过程建立。

本申请实施例首先接受主控下达的启机指令和当前转速信息，永磁同步发电机将接受的当前转速信息转换为当前电压信息送入到速度观测器内，同时速度观测器接受来自于电流传感器检测到的当前电流信息，将观测到的角度和角速度应用于电流控制环，然后启动电流控制环，将速度观测器的输入中的电压信息替换成电流控制环输出的电压参考信号输入，同时启动PWM调制，永磁同步发电机开始处于被控状态，系统闭环观测，以基于反馈电流调整PI参数，确保观测到的角度正确，最后保证系统稳定运行。

上述步骤S115中，基于反馈电流，调整电流控制环的PI参数，直至反馈电流小于预设电流阈值，可以判断某一时刻的反馈电流是否小于预设电流阈值，或者判断某一时间段内的反馈电流是否小于预设电流阈值。

示例性的，基于反馈电流，调整电流控制环的PI参数，直至在预设时间段内，反馈电流小于预设电流阈值。在预设时间段内，反馈电流小于预设电流阈值，表明系统稳定运行。预设时间段可以根据需要设置，如1秒或其他时长。

在一些实施例中，电流控制环未启动之前，电流控制环所使用的角速度是实时更新的，其可以为速度观测器观测到的角速度，即直接将速度观测器观测到的角速度作为电流控制环所使用的角速度，无需对速度观测器观测到的角速度进行任何处理。进一步地，在电流控制环未启动之前，电流控制环所使用的角速度还可以为对速度观测器观测到的角速度进行滤波处理获得的角速度。在启动电流控制环之前，速度观测器观测的角度为动态过渡角度，角速度波动较大，因此，对启动电流控制环之前的速度观测器观测到的角速度进行滤波处理，再将滤波获得的角速度作为电流控制环所使用的角速度，可提高电流控制环所使用的角速度的准确性。

进一步地，电流控制环启动的时刻至启动控制程序结束的时刻(这一时间段也可称为闭环调节阶段)，电流控制环所使用的角速度为电流控制环启动前最近一个控制周期的滤波后的角速度。闭环调节阶段，整个系统未稳定，因此冻结速度观测器观测到的角速度，确保闭环调节阶段的电流控制环所使用的角速度的准确性。需要说明的是，控制周期可以是机侧控制器中断控制周期，也可以是机侧控制器中端控制周期的整数倍。

更进一步地，启动控制程序结束之后，电流控制环所使用的角速度为速度观测器观测到的实时角速度，启动控制程序结束之后，整个系统处于稳定状态，因此，在启动控制程序结束之后，使用速度观测器观测到的实时角速度作为电流控制环所使用的角速度，确保启动控制程序结束之后的电流控制环所使用的角速度的准确性。

本申请实施例在启动电流控制环的闭环调节开始之前，由于此时观测的角度为动态过渡角度，角速度波动较大，因此先使用滤波器对电流闭环之前观测到的角速度进行滤波得到滤波之后的角速度ω_{master_filter}，闭环启动同时冻结速度观测器观测到的角速度，使用之前滤波获得的ω_{master_filter}作为电流控制环的输入。当闭环调节完成后，此时整个系统处于稳定状态，再将速度观测器观测到的角速度ω_actual作为实际角速度输入到电流控制环中。

启动闭环调节过程后，由于角度存在误差，此时会出现较大的瞬时电流产生较大的力矩用于将虚拟角度拉至到实际角度，较大的瞬时电流冲击会对永磁同步发电机产生较大的危害，因此为降低闭环调节过程中瞬时电流幅值，并缩短调节时间，通过对电流控制环的PI参数进行在线自整定，加快闭环调节过程，快速将角度误差θ_error缩小为0。

本申请实施例可以基于模型法和/或规则法调整电流控制环的PI参数，也可以基于其他方式调整电流控制环的PI参数。其中，模型法、规则法可采用现有模型法、规则法。

可选地，在一些实施例中，所述方法还包括：对永磁同步发电机的直轴d的输出电压和交轴q的输出电压进行解耦，通过解耦接触直轴d的输出电压和交轴q的输出电压之间的耦合关系，进一步提高系统稳定性；其中，电压参考信号为基于解耦后的直轴d的输出电压和交轴q的输出电压确定。具体而言，请参见图6，基于解耦后的直轴d的输出电压

和交轴q的输出电压

确定电流控制环输出端电压

为两相旋转坐标轴下的电流控制环输出端电压；再基于

和角速度，确定两相静止坐标轴下的电流控制环输出端电压，即为电压参考信号。需要说明的是，图6中，i_α和i_β分别为两相静止坐标轴下的电流反馈值，

和

分别为两相静止坐标轴下的电压指令值，

和

分别为两相旋转坐标轴下的电压指令值。

可选地，在一些实施例中，所述方法还包括：将角速度作为电流控制环的PI调节器的前馈输入，如此，保证永磁同步发电机的动态性，减轻PI调节器的负担。

可选地，所述方法还包括：在被控状态，基于外部的给定转矩控制电流控制环，此时，系统正常运行。外部的给定转矩可以由用户指示主控下发，也可以由主控自动下发。

需要说明的是，本申请实施例中，永磁同步发电机启动控制程序中的电流控制环为电流内环。当已经进入到被控状态后，电流外环是由转矩/功率外环构成，并进行控制。

一可行的实施例中，速度观测器选择为滑膜观测器法，考虑转速较慢，速度观测器的数学模型简化为：

式(2)中，

分别为静止坐标系下的电流对时间的微分形式；

i_α、i_β和u_α、u_β分别为静止坐标系下的电流和电压；

L_q和R_s分别为永磁同步发电机q轴电感和定子电阻；

e_α和e_β为扩展反电动势。

建立滑膜观测器数学表达式如下：

式(3)中，

分别为静止坐标系下的电流估计值对时间的微分形式；

和

分别为静止坐标系下的电流估计值；

sgn()表示符号函数；

K为滑膜增益。

根据滑膜等效控制理论，可得扩展反电动势：

其中，

为低通滤波器；

ω_c为低通滤波器的截止频率。

采用反正切函数得到转子位置角度θ，进而对角度进行微分得到角速度ω。

通过上述对滑膜观测器的分析可知，上述使用的变量均为静止坐标系下的变量。根据主控下发的n_master、电机参数(以电机永磁体磁链参数ψ_f为例)和永磁同步发电机的控制器的控制周期T_sample，得到静止坐标系下的永磁同步发电机端电压u_{α_master}和u_{β_master}，表达式如下：

θ_master表示k时刻角度值，根据角度和角速度之间关系，角度可以通过对角速度进行积分得到，表达式如下：

速度观测器结合上述得到的电压信息、电流信息和电机参数，得到角度和角速度。

启动电流控制环，并输出PWM调制波，同时速度观测器电压输入信息由u_{α_master}和u_{β_master}切换为电流控制环输出的电压指令信息

和

永磁同步发电机开始处于被控状态，永磁同步发电机端口电流传感器实时检测三相电流并输入到速度观测器内。此时速度观测器观测到的角度信息为θ_master趋近于θ_actual的过度状态角度θ_transit，使用θ_transit作为坐标变换的输入角度，将三相电流转换为旋转坐标系下的dq轴电流作为电流控制环的反馈。至此，整个启动闭环过程建立。

永磁同步发电机处于空转状态下，通过对当前电流信息进行综合分析，本例以旋转坐标系下q轴电流滑动平均值为例说明：

式(7)中，k表示当前k时刻，k-N表示k时刻之前的N个时刻，N为正整数，i_{q_k}表示当前k时刻的q轴反馈电流信号，i_{q_aver}表示其N个采样点的平均值。

实时比较i_{q_aver}与预设电流阈值i_{q_error}，当i_{q_aver}小于预设电流阈值后，即说明角度误差θ_error降为0附近，此时解冻速度观测观测到的角速度，速度观测器和电流内环启动完成。

当上述角度和角速度调整完成后，启动电流外环，接受外部的给定转矩，整个过程启动完成，系统正常运行。

请参见图7，本申请实施例还提供一种风力发电机组的永磁同步发电机控制装置，包括一个或多个处理器，用于实现第一方面任一项所述的方法。

永磁同步发电机控制装置的实施例可以应用在风力发电机组上。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在风力发电机组的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图7所示，为本申请永磁同步发电机控制装置所在风力发电机组的一种硬件结构图，除了图7所示的处理器、内部总线、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的风力发电机组通常根据该风力发电机组的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。

所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

本申请实施例还提供一种风力发电机组的永磁同步发电机控制系统，包括主控和第二方面的永磁同步发电机控制装置，主控与永磁同步发电机控制装置的处理器电连接。

需要说明的是，本申请实施例的主控可包括主控制器及与主控制器配合的电子器件，主控器负责与永磁同步发电机控制装置的处理器进行指令(如启机指令、给定转矩等)、数据(如转速信息等)。

根据本申请实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现第一方面任一项所述的方法。

所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的风力发电机组的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是风力发电机的外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card，SMC)、SD卡、闪存卡(Flash Card)等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括风力发电机组的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述风力发电机组所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (18)

1.一种风力发电机组的永磁同步发电机控制方法，其特征在于，所述方法包括：

在永磁同步发电机处于空转状态下，若接收到所述风力发电机组的主控下发的启机指令和所述永磁同步发电机的当前转速信息，则进入所述永磁同步发电机的启动控制程序；

所述启动控制程序包括：

获取所述永磁同步发电机输出端的当前电流信息；

根据所述当前转速信息，确定所述永磁同步发电机的当前电压信息；

将所述当前电压信息和所述当前电流信息作为所述永磁同步发电机的速度观测器的输入，观测所述永磁同步发电机转动的角度和角速度；

将所述角度和所述角速度作为所述永磁同步发电机的电流控制环的输入，通过旋转坐标变换得到电流控制环所使用的反馈电流，以启动所述电流控制环，并将所述速度观测器的输入中的电压信息替换成所述电流控制环输出的电压参考信号，同时根据所述电压参考信号进行调制，使得所述永磁同步发电机进入被控状态；

基于所述反馈电流，调整所述电流控制环的PI参数，直至所述反馈电流小于预设电流阈值，所述启动控制程序结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反馈电流包括所述永磁同步发电机的直轴d和交轴q的反馈电流。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流控制环未启动之前，所述电流控制环所使用的角速度为对所述速度观测器观测到的角速度进行滤波处理获得的角速度，并实时更新。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电流控制环启动的时刻至所述启动控制程序结束的时刻，所述电流控制环所使用的角速度为所述电流控制环启动前最近一个控制周期的滤波后的角速度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述启动控制程序结束之后，所述电流控制环所使用的角速度为所述速度观测器观测到的实时角速度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述反馈电流，调整所述电流控制环的PI参数，直至所述反馈电流小于预设电流阈值，包括：

基于所述反馈电流，调整所述电流控制环的PI参数，直至在预设时间段内，所述反馈电流小于预设电流阈值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整所述电流控制环的PI参数，包括：

基于模型法和/或规则法调整所述电流控制环的PI参数。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调制为PWM调制。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对所述永磁同步发电机的直轴d的输出电压和交轴q的输出电压进行解耦；

其中，所述电压参考信号为基于解耦后的直轴d的输出电压和交轴q的输出电压确定。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述角速度作为所述电流控制环的PI调节器的前馈输入。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述启动控制程序结束之后，还包括：

在所述被控状态，基于外部的给定转矩控制所述电流控制环。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述速度观测器基于以下算法中的至少一种算法观测所述角度和所述角速度：

锁相环算法，模型参考自适应法，滑膜观测器法，数学模型状态观测器法，自适应观测器法，扩展卡尔曼滤波器法。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述启机指令及所述当前转速信息为所述主控在确定出所述风力发电机组的转速位于所述风力发电机组的最小切入速和最大切出速之间时下发。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前电流信息为基于所述永磁同步发电机上的电流传感器检测获得。

15.根据权利要求1或14所述的方法，其特征在于，所述当前电流信息为所述空转状态下的所述永磁同步发电机的当前电流的有效值、瞬时值或平均值。

16.一种风力发电机组的永磁同步发电机控制装置，其特征在于，包括一个或多个处理器，用于实现如权利要求1-15中任一项所述的方法。

17.一种风力发电机组的永磁同步发电机控制系统，其特征在于，包括主控和如权利要求16所述的永磁同步发电机控制装置，所述主控与所述永磁同步发电机控制装置的处理器电连接。

18.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-15中任一项所述的方法。

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