[发明专利]兆瓦级永磁同步直驱风电机组无速度传感器控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电机速度的控制方法，尤其涉及一种兆瓦级永磁同步直驱风电机组无速度传感器的控制方法。

背景技术

永磁同步直驱风电机组中，为了对永磁同步电机(PMSM)进行准确的矢量控制，必须要知道转子的位置信息，最常用的方法是在转子轴上安装速度传感器。然而速度传感器的存在会带来很多问题。具体为：(1)兆瓦(MW)级PMSM上，速度传感器的成本相对于整个风机的全部成本来说尽管非常小，但属于易损高精度仪器，而且往往运行在极端恶劣的环境条件下，其维护成本远远超过传感器本身的造价。一旦速度传感器发生故障整个风机就必须停机，造成的损失也是巨大的。(2)在风机这种特定的应用场合，速度传感器的精度易受雨水湿度和振动噪声的影响。而且风机机舱和塔架中没有足够的空间将电缆线与信号线隔离，这会增加对速度传感器信号线的干扰。可见，速度传感器的存在无疑降低了系统的可靠性。(3)MW级永磁同步直驱风电机组，为了增加PMSM的转动惯量和极对数以提高功率输出，常采用先进的外转子结构。然而在外转子PMSM中，速度传感器却难以安装，这也成为外转子PMSM应用的瓶颈。总之，为了提高风电机组运行的可靠性，降低系统的维护成本，在MW级永磁同步直驱型风电机组中，一般均省去编码器等速度传感器，而采用先进的无速度传感器控制技术。关于MW级永磁同步直驱机组无速度传感器控制技术，国内外提出了许多种方法：在S.Bolognani，M.Tomasini，L.Tubiana，et al..Start-up Strategy for aSensorless Direct Drive PM Generator for Wind Turbines.IEEE-ISIE Conf.Rec.，2005.Dubrovnik，Croatia；江俊，沈艳霞，纪志，“基于EKF的永磁同步电机转子位置和速度估计，”系统仿真学报，2005，17(7)；1704-1707，在以上两篇文献中所记载的两种方法，采用扩展的卡尔曼滤波(EKF)方法使得系统具有优化和自适应能力，而且能很好的抑制测量和扰动噪声，系统鲁棒性较强，但EKF算法复杂，计算量大，滤波器模型涉及因素多，缺少相应的设计和整定标准，很难确定实际系统的噪声级别和算法中的卡尔曼增益。在W.Wu，V.S.Ramsden，T.Crawford，et al..A Low-Speed，High-Torque，Direct-DrivePermanent Magnet Generator For Wind Thrbines.IEEE Industry ApplicationsConfererce，Vol.1，2000：147-154；和P.L.Jansen，M.Corley，and R.D.Lorenz，“Flux，position，and velocity estimation in AC machines at zerospeed via tracking of high frequency saliencies，”in Proc.EPE’95，1995，pp.154-160，在以上两篇文献中所记载的两种方法，采用高频信号注入法，通过注入高频电流信号或者高频电压信号测量PMSM电感的变化，进而估计出凸极位置。这种方法对参数变化不敏感，具有较强的稳定性，但在MW级系统中，由于驱动变流器的开关频率较低(一般为1～3kHz)，而此时若采用高频注入法，其注入的高频信号频率也相应降低，甚至与系统的控制频带相重叠，另外，注入高频信号所产生的转矩脉动对PMSM的传动轴会造成损害，显然，高频注入法在MW级永磁同步直驱机组中也不适用。在Fatu Marius，Lascu Cristian，AndreescuGheorghe-Danielet，et al，“Voltage Sags Ride-Through of MotionSensorless Controlled PMSM for Wind Turbines，”PESC’07.33rd IEEE，23-27June 2007，Vol.2，pp.815-820中根据PMSM稳态时的数学模型，采用锁相环PL原理，构建位置观测控制器，系统算法简单，易于实现，但算法依赖电机交轴电感L_q，而L_q在线测试比较困难且其随着PMSM发电功率的改变而变化，变化具有随机性，从而会降低位置观测的准确性。

发明内容