電勵磁同步電機無速度傳感器矢量控制研究

李黨盈，張 紅，趙永波，劉耿博

(西安麥格米特電氣有限公司 工業電源事業部，西安 710075)

0 引言

風能是一種取之不盡的清潔能源。近年來，在各種平價政策的推動下，上網電價逐年走低，風能相比化石能源的優勢愈發突出，發展前景被業界看好。目前成規模使用的風電機組共有三類：雙饋異步型、永磁同步型和電勵磁同步型。相對另外兩種電機，電勵磁同步型調速性能優越，高速運行效率高[1]，整機成本較低，通過勵磁調節，能夠實現單位功率因數運行，可充分利用變頻電源的容量。

為獲得較好的控制性能，實現勵磁和轉矩的解耦，電勵磁同步電機中通常利用基于磁場定向的矢量控制。但是在電勵磁同步電機中安裝轉速反饋所需的傳感器較困難，且傳感器一旦出現故障就會造成機組癱瘓，降低了整個系統的可靠性。采用無速度傳感器控制，可避免這一現象[2]。本文基于模型參考自適應系統(MRAS)對電機轉速辨識算法進行了研究，給出了電壓型磁鏈改進觀測模型，簡化了實現電流型磁鏈觀測的方法，在電壓和電流模型磁鏈觀測結果的基礎上定義廣義誤差，并經過PI自適應調節后得到轉速信號，最后通過模型仿真和實驗，驗證了這一方法的正確性。

1 氣隙磁場定向控制

電勵磁同步電機基于磁場定向控制的電機矢量關系圖如圖1所示，圖中，d軸與電機轉子同向，M軸與氣隙磁場同向。

圖1 電機矢量關系圖

定子電流在M-T坐標系中由轉矩電流isT和勵磁電流isM兩個正交分量合成。由于M軸定向于氣隙磁鏈φm，那么分解在T軸上的氣隙磁鏈為0，即滿足下式：

isT=ifdsin(θL)+iDsin(θL)+iQcos(θL)

(1)

定義電流im為氣隙磁場的勵磁電流，其方向與φm相同。假設Lm為氣隙等效電感，由圖1可得：

在氣隙磁場定位于M軸同時維持其幅值不變，根據電機統一轉矩公式可知電機轉矩與定子電流的勵磁分量關系如下[3]：

由公式(2)和(3)可知，轉矩與磁鏈可以進行單獨控制，從而實現解耦。根據轉矩、磁鏈與定子電流和勵磁電流的關系，得到電勵磁同步電機基于氣隙磁場定向控制系統原理圖如圖2所示。反饋轉速通過無速度傳感器辨識得到。為提高功率因數，定子勵磁電流給定值通常設為零，氣隙磁場的強度通過控制勵磁電流來保證。

圖2 氣隙磁場定向控制系統原理圖

2 無傳感器速度辨識

2.1 基于模型參考自適應理論的速度辨識

MARS是將含有待估計參數的方程作為可調模型，不含未知參數的方程作為參考模型，利用其輸出量的差值，選擇合適的自適應律，動態更新可調模型中的估計參數，使得兩個模型的誤差在穩態時趨于零，從而得到反映實際值的參數[4]。電機控制中通常使用電壓和電流磁鏈模型。電壓氣隙磁鏈的計算公式為：

電流氣隙磁鏈計算公式為：

電壓模型作為參考模型，輸出氣隙磁鏈的給定值；電流模型中包含轉子角度θr，作為可調模型，輸出氣隙磁鏈的估計值。磁鏈廣義誤差定義為：

根據自適應原理，利用廣義誤差中的轉子位置信息，設計出速度辨識方案，模型參考自適應轉速辨識原理圖如圖3所示，其中自適應調節器為PI控制器：

圖3 模型參考自適應轉速辨識原理圖

轉子角度為轉速的積分：

基于波波夫超穩定理論的詳細推導及證明[5]，轉速辨識經過自適應律，可以保證其穩定性。

2.2 電壓磁鏈的改進觀測模型

公式(4)為電壓積分型磁鏈觀測，這種算法存在直流偏置飽和及設置初始值問題，積分器為低通濾波，引入了相位延時使其性能難以滿足要求。本文采用改進的電壓型磁鏈觀測模型，可避免這些缺點，滿足全速度范圍內的無速度傳感器辨識需要。

如圖1所示，θφ為d軸與α軸的夾角，則定子磁鏈矢量可表示為：

其中，Aφ為定子磁鏈矢量幅值。對磁鏈求導，可得到定子電壓矢量：

其中，ω為磁鏈矢量的角速度。將電壓矢量分解到d-q正交坐標系，可得到兩個電壓分量：

對同步轉速進行積分可以得到磁鏈的相位角θφ：

根據式(11)和(12)的推導結果，可設計出閉環形式的電壓磁鏈觀測模型如圖4所示。校正環節k的加入，有助于提高系統穩定性[6]。由于觀測結果為定子磁鏈，需根據式(4)減去定子的漏感，才可得到氣隙磁鏈。該觀測模型不存在偏置飽和、圓心偏離等問題，是一種高性能磁鏈觀測器。

圖4 閉環形式的電壓磁鏈觀測模型

2.3 電流磁鏈模型的實現

由圖1的電機矢量關系可知，電流氣隙磁鏈表達式為：

阻尼繞組中的磁場感應電壓和電阻電壓之和為0，即：

阻尼繞組通常為短路鼠籠環，其電流iD、iQ無法測量。工程條件允許下，通常忽略阻尼繞組的漏抗，即令φD≈φmd，φQ≈φmq。綜合公式(13)和(14)可求得同步旋轉坐標系下電流模型觀測的氣隙磁鏈為[7]：

其中，p為微分算子，TDd、TDq為阻尼繞組開路時間常數。

3 仿真與實驗研究

3.1 仿真研究

3.1.1 系統仿真模型

電勵磁同步電機無速度傳感器矢量控制系統仿真模型如圖5所示。模型主要由電機、控制器和變頻主電路組成，此外，還包括電壓電流測量、PWM調制波等部分。模型中的控制由MATLAB軟件的系統函數實現。系統函數使用高級語言進行代碼開發，用以實現轉速磁鏈觀測、矢量變換及解耦控制、運行流程切換等功能。仿真系統的函數代碼可直接移植到控制芯片的應用程序中，加快了產品的開發速度。

圖5 電勵磁同步電機無速度傳感器矢量控制系統仿真模型

為了與實驗工況保持一致，仿真所用電機為兆瓦級直驅型風力發電機, 其各項參數由電機廠通過實際測量給出，電機參數如表1所示。

表1 電機參數

3.1.2 仿真結果及分析

系統的仿真分兩個階段進行。首先控制直流電源，使轉子勵磁繞組的電流逐步上升到額定值。勵磁電流的變化引起電機磁場的變化，進而在定子繞組上感應出反電壓。通過電壓型觀測器，可以估算出轉子的初始角度。然后啟動變頻器，通過斜坡給定方式，將電機轉子從靜止狀態加速到額定轉速。

仿真波形如圖6所示，其中圖6(a)為電機轉速的實測值和估計值轉速辨識曲線，圖6(b)為轉子角度的實測值和估計值角度辨識曲線，圖6(c)為電機在啟動過程中的電機定子電流波形。從圖中可以看出，電機啟動過程中的估計值與實測值有一定誤差，待電機穩定之后，轉速、相位的觀測量與實際量已完全相同。整個啟動和運行過程中，電機轉速平穩上升，定子電流平滑且無波動，滿足無速度傳感器控制的要求。

(a) 轉速辨識曲線

(b) 角度辨識曲線

(c) 電機定子電流波形

3.2 實驗研究

在某公司實驗基地進行電勵磁同步風力發電機系統測試，該公司研制生產的直驅式電勵磁同步風力發電機如圖7所示。測試平臺采取兩臺同型號電機聯軸對拖的方式，其中陪試電機處于電動狀態，被試電機處于發電狀態。實驗系統由兩臺大功率變頻器提供電源，變頻器共用一條直流母線實現能量回饋。一臺變頻電源驅動陪試機，采用速度閉環控制；另一臺用作被試機進行能量饋送，因為需要調節并網功率，采用轉矩閉環控制。

圖7直驅式電勵磁同步風力發電機

在電機的定子接線端接有功率分析儀。兩臺變頻器均采用無速度傳感器矢量控制算法進行控制。根據實驗要求，給定陪試電機轉速為電機額定轉速16.5 r/min。電機轉子到達額定功率和額定轉速之后的定子電流波形圖如圖8所示。電機在穩態運行時，通過轉速傳感器的通信數據進行描點和繪圖，測得的電機實際轉速波形圖如圖9所示。電機轉速圍繞給定值，在一個很小的范圍內波動，其波動幅度小于萬分之二，滿足電機試驗的要求。

圖8定子電流波形圖

4 結論

電勵磁同步電機以其高性能和低成本的優勢，在兆瓦級直驅型風力發電機組中的應用越來越廣泛。本文分析了同步電機的磁場定向矢量控制原理，提出了基于MARS的無速度傳感器辨識算法，在MATLAB中搭建系統模型，進行了仿真和實驗研究。仿真和實驗結果表明該方法能夠準確辨識轉速，滿足電勵磁同步電機無速度矢量控制的要求，有較強的理論意義和實踐指導價值。