直驅式全功率變流器機側無傳感器控制策略研究

顧 凱，魏海峰，張 懿

(江蘇科技大學，鎮江212003)

0 引 言

直驅風力發電系統成為當前風力發電系統的重要發展方向，目前，國內外學者已加大對直驅式風電變流器控制技術的研究。直驅式風電變流器機側主要對永磁同步電機進行控制。永磁同步發電機(以下簡稱PMSG)與傳統發電機相比，具有結構簡單、效率高等優點，轉速可以設計得較低，并且易于實現并網、兼具有功和無功可控、低諧波等優勢［1］。目前工程中常用的控制方式有矢量控制和直接轉矩控制，矢量控制采用電流閉環控制，可以實現對發電機連續且平滑的控制，并且調速范圍較寬;而直接轉矩控制，存在轉矩脈動，影響低速性能，同時調速范圍受到了限制，無論采用哪一種控制，都需要知道發電機轉子精確的位置。但是，風力發電機的應用環境通常比較惡劣，采用傳統安裝光電編碼器或旋轉變壓器等裝置進行檢測，容易受到干擾，傳感器易損壞，這樣不僅增加設備成本，而且安裝和維修都比較困難，影響了系統的穩定性，因此永磁同步電機無傳感器控制技術，對于直驅式全功率變流器的發展具有重要意義［2］。關于無傳感器控制技術，國內外已有大量的研究。目前，實現永磁同步電機無傳感器控制主要通過利用定子端電壓和電流直接估算、基于狀態觀測器估計和凸極跟蹤等方法［3］。

本文研究了一種機側變流器采用id=0 的轉速外環、電流內環的雙閉環控制策略。該控制策略控制系統簡單，不會引起去磁反應和永磁同步電機退磁現象，實現定子電流與轉子磁通解耦控制，良好的轉矩特性，可以獲得很寬的調速范圍，比較適合永磁同步電機。無傳感器采用一種數字鎖相環和模型參考的方法，并在公司2 MW 直驅式全功率變流器樣機上進行了驗證，實現了預期的控制效果。

1 PMSG 數學模型

要設計PMSG 控制策略，需要對其進行理論分析，而目前常用的理論分析方法是通過建立電機數學模型進行研究。對于電機有三種不同坐標系下的數學模型，每個數學模型適用于不同的理論分析，本文根據研究需要，建立PMSM dq 軸下的數學模型［3-4］。電機參數矢量圖如圖1 所示。

在這些假設下，以電動機慣例為電流的參考方向，最后得到永磁同步電機在同步旋轉坐標系d，q軸下的數學模型:

圖1 d，q 坐標系矢量圖

電壓方程:

式中:ud，uq分別是d 軸和q 軸的定子電壓分量;ωs是轉子電角速度;R 是定子電阻。

磁鏈方程:

式中:ψd，ψq分別是d，q 軸的磁通;Ld，Lq分別是d軸和q 軸的電感;ψf為轉子磁鏈。

電磁轉矩方程:

式中:p 為電機極對數;Te為電磁轉矩。

機械運動方程:

式中:ωr是發電機轉子的機械轉速;TL為原動機轉矩。

2 機側變流器控制策略

2.1 id =0 矢量控制策略

機側變流器的控制策略示意圖如圖2 所示。本文采用轉速、電流雙閉環矢量控制策略，通過調節發電機定子電流dq 軸分量，實現對發電機的電磁轉矩和定子無功功率的控制［5-6］。采取id=0 控制方式，將定子電流全部用于產生電磁轉矩，從而實現發電機最大轉矩、最小損耗、最大效率的控制［7-8］。外環控制中，風力機實時風速和發電機實際轉速計算得到轉速度參考值ω*，再將轉速實際值與轉速參考值的差值，通過PI 調節器進行調節得到q 軸電流參考值。將id=0 代入式(3)中，可得到電磁轉矩和iq的線性關系，所以發電機的電磁轉矩只存在唯一的變量，即q 軸電流iq。因此，只需要對定子電流在q 軸上的電流分量iq進行調節就可以實現對發電機電磁轉矩的控制功能，同時使轉速實際值跟隨轉速參考值ω*。采用Clarke 和Park 變換，將電機三相靜止坐標系下的定子電流ia，ib和ic進行變換，得到兩相旋轉dq 坐標系下的電流值id和iq。機側為了實現獨立控制dq 軸電流和消除電網電壓擾動，引入電壓前饋補償控制，同時引入兩軸的反饋電流ωLdid和ωLqiq解耦項，使有功電流和無功電流可以分別獨立控制。最后得到了要調制的電壓ud和uq，再將ud和uq進行反坐標變換后送入SVPWM 脈寬調制產生驅動信號。

圖2 機側變流器控制策略示意圖

2.2 無速度傳感器控制策略

本文采用的數字鎖相環實現了永磁同步電機的無速度傳感器控制技術。圖1 中dq 軸是實際轉子位置坐標系，d'q'軸為估計轉子位子坐標系。由前面分析可知，PMSG 電磁轉矩僅與iq成正比而與id無關。當id=0 時，單位電流產生的轉矩最大，即電流利用率最高，所以在保證dq 坐標系d 軸與d'重合前提下控制d 軸電流為零［9］。為此本文采用了一種旋轉坐標系閉環控制策略，該策略根據d 軸與d'軸線的角度差來調整同步旋轉坐標系的旋轉速度，進而保證d 軸與d'軸重合。當d 軸與d'軸線重合時，Δθ=θ' -θ=0。為了計算需要，將電壓方程改寫成:

由式(5)可以推出:

式(6)中，忽略了不容易獲得的電流微分信號部分，而且電流微分信號容易引入干擾，并且穩態時基本為零。根據分析及式(5)和式(6)，可知，通過PI 調節器控制Δθ =0 就可實現鎖相功能。圖3 是鎖相環的控制原理圖，將PMSG 輸出的電壓和電流經過坐標變換得到dq 軸分量，經過鎖相環算法得到Δθ，再經過PI 調節器調節Δθ=0，得到轉子角速度，經過積分環節后就可得到轉子位置角。

圖3 三相數字鎖相環控制原理圖

3 實驗結果與分析

為了檢測理論的正確性和可行性，在某公司2 MW 直驅式全功率變流器樣機上進行了實驗驗證。圖4 和圖5 分別為機側三相電流波形和直流側電壓波形，從波形上可以看出，機側三相電流波形接近于正弦波，且波形比較平滑，相序和幅值均達到了設計要求。直流側電壓也穩定在1 000 V 左右。實驗結果表明了本文研究的控制策略在工程應用中的可行性。測試平臺相關參數如表1 所示，測試波形顯示皆為標幺值。

圖4 機側三相電流波形

圖5 直流側電壓波形

表1 測試平臺相關參數

4 結 語

根據實際應用的需要，本文研究一種基于數字鎖相環的無速度傳感器矢量控制技術，該控制策略簡單易行，便于工程實現。經過理論分析和樣機實驗，測試結果表明該控制策略能夠準確算出風力發電機轉子的位置，在直驅式全功率變流器上體現了良好的控制性能。

［1］ 范長寶，張洪陽，朱建光，等.永磁直驅全功率變流器控制策略［C］//第十屆全國永磁電機學術交流會論文集.2010:119 -124.

［2］ 付明星，李明成，馬培鋒，等.永磁直驅風電變流器無傳感器控制研究［J］.電氣傳動，2014，44(2):11 -14.

［3］ 唐芬，金新民，姜久春，等.兆瓦級直驅型永磁風力發電機無位置傳感器控制［J］.電工技術學報，2011，26(4):19 -25.

［4］ 汪海波，周波，方斯琛. 永磁同步電機調速系統的滑膜控制［J］.電工技術學報，2009，24(9):72 -75.

［5］ 胡書舉，許洪華.直驅風電系統PMSG 有無速度傳感器控制比較［J］.高電壓技術，2009，35(12):3129 -3131.

［6］ 胡書舉，王劍飛，趙棟利，等.無速度傳感器控制永磁直驅風電變流器的研制［J］.電機與控制學報，2009，13(1):67 -72.

［7］ 張友鵬，劉景利，高鋒陽，等.永磁直驅風電系統低電壓穿越能力仿真［J］.電源技術，2013，37(9):1635 -1637.

［8］ 劉景利，張友鵬，高鋒陽，等.永磁直驅風電變流器控制策略及仿真研究［J］.電源技術，2012，36(4):554 -557.

［9］ 徐壯，李廣軍，徐殿國，等.永磁直驅風電系統發電機側變流器的并聯控制［J］.高電壓技術，2010，36(2):474 -480.