无位置传感器控制技术在直驱变流器中的应用

摘要：直驱型风电机组具有能量转换效率高、可靠性高、并网功率控制灵活等优点，在风力发电领域具有非常广阔的市场前景。电机的转速和转子位置角是直驱变流器控制策略中的重要参数。介绍了一种基于无位置传感器控制技术的转速和位置测量方法，该方法简单、快速、动态响应好。阐述了直驱型风电变流器的拓扑结构和控制策略，以及无位置传感器控制技术的测量原理和控制方法。通过Matlab／Simulink仿真和现场工程应用，验证了该控制技术的有效性和可靠性。
关键词：无位置传感器；变流器；直驱；永磁同步电机

1 引言
    直驱型风电机组具有能量转换效率高、可靠性高、并网功率控制灵活等优点，在风力发电领域具有广阔的市场前景。为实现直驱型风电机组高性能的闭环矢量控制，需获得转子转速和实时位置。通常采用成本合理、性能良好的无位置传感器控制技术，通过检测电机的电流、电压等可测物理量进行位置和速度估算。
    无位置传感器检测方法包括：基于永磁同步电机(PMSM)基本电磁关系的方法、三相端电压和电流计算、基于反电动势或定子磁链估算、基于各种观测器的估算方法。其中基于反电势进行转子的转速和位置估计的方法，具有简单、快速和动态响应快的优点。

2 直驱型风电机组控制概述
2．1 永磁同步电机数学模型
    这里采用基于矢量控制的控制策略，因此PMSM数学模型需在d，q坐标系下建立。图1示出PMSM数学模型及其在d，q坐标下的矢量图。ωT为电机机械角速度。

    由图1可知。电压方程为：
   
   
2．2 控制策略
    PMSM控制策略原理包括基于转子磁场定向的矢量控制和基于定子磁场定向的直接转矩控制两类，针对不同控制目标，两类控制策略的实现方法不同。这里研究矢量控制，以id=0策略为例，将d轴电流分量控制为零，根据此控制思路可得最新的转矩方程：Te=1．5pψfisq，可见，采用这种控制思路，电机转矩大小只与q轴电流、主磁链成正比，故可采用转矩外环和电流内环控制策略，其中转矩外环采用开环控制模式，控制流程见图2。

    在图2中，忽略Rs的影响，ωeψf为q轴电压前馈量，它能降低机侧解锁瞬间电流的冲击，在控制过程中较关键。

3 无位置传感器控制技术
3．1 检测原理
    矢量控制中的转子转速和位置可通过电机反电势的信号锁相得到。但由于电机反电势不能直接测量，仅能通过测量电机机端电压推导电机反电势，从而得到电机转子的转速和位置。
    根据电机数学模型和d，q坐标变换，电机机端电压与内电势间的角度关系如图3所示。

    由于采用id=0控制策略，Esq对应内电势电压在转子位置角下的q轴，Esd=0。△θ为两者之间的相位差。根据图3可知：
    △θ=(usd+Rsisd-ωLsdisq)／(usq+Rsisq+ωLsqisd)            (5)
    当△θ=0时，此时得到的相位自动锁到电机内电势的相位，从而满足控制目的。
3．2 控制策略
    根据公式计算，通过采集电机机端三相电压和三相电流，任意给定锁相环，经坐标变换得到d，q轴分量，再通过计算△θ值，利用PI控制原理，控制△θ=0，从而实现跟踪电机内电势相位控制策略。控制流程框图如图4所示。

4 仿真研究
    为验证控制算法的正确性，搭建Matlab／Simulink仿真模型，仿真模型包括PMSM和一个背靠背三相变流器。其中PMSM可直接得到转子速度和实时位置，可将发电机内部读出的位置与基于无位置传感器控制方法得到的位置进行比较，以验证控制算法的准确性。系统仿真参数：直流电压1 100 V，电机容量1 MW，电机电压690 V，电机转速18 r·min-1，电机极对数30，电机同步电抗Ld=1．9mH，Lq=3．22 mH。通过仿真，观察转子位置、转速实测值与估计值间的差别。
    为验证转子位置估计值的准确性，系统在1 s前控制算法采用的转子位置为电机实测值投入，1s后切换到估计值，观察切换瞬间对控制过程的冲击，得到的仿真波形如图5所示。

    由图5a可见，电机转子位置及转速估计值均能很快跟踪到实测值，误差很小，能取代实测值。由图5b可见，在1 s前，控制策略采用实测值，机端电压和电流较稳定；1 s后切换到估计值，电压和电流切换较稳定，未出现过冲现象，进一步验证了估计值能很好地跟踪实测值。

5 现场应用
    根据实际运行工况，电机转速17 r·min-1，机侧传递功率1．09 MW，观察机侧变流器运行状态，实验波形如图6所示。

    由图6a可见，转子电流(反向)与转子位置角对齐，真实反映电机内电势的相位。由图6b可见，机侧变流器传输功率为1．09 MW，运行平稳，机端功率因数正常。

6 结论
    针对直驱风电机组广阔的市场前景，提出一种基于机端内电势检测转子转速和位置的无位置传感器控制方法。重点介绍了该方法的实现原理和控制策略，并在Matlab／Simulink仿真环境下搭建模型，验证了该方法的有效性，并将其运用到实际工程中，效果显著，具有很好的工程应用价值。
    实践证明，该方法在风机转速范围内，应用效果明显，控制精度满足要求，是无位置传感器控制技术研究的重要方向。