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(yè)電源事業(yè)部，西安 710075)

0 引言

風(fēng)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(wǎng)電價逐年走低，風(fēng)能相比化石能源的優(yōu)勢愈發(fā)突出，發(fā)展前景被業(yè)界看好。目前成規(guī)模使用的風(fēng)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(diào)速性能優(yōu)越，高速運行效率高[1]，整機成本較低，通過勵磁調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)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(xiàn)勵磁和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速反饋所需的傳感器較困難，且傳感器一旦出現(xiàn)故障就會造成機組癱瘓，降低了整個系統(tǒng)的可靠性。采用無速度傳感器控制，可避免這一現(xiàn)象[2]。本文基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)對電機轉(zhuǎn)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(xiàn)電流型磁鏈觀測的方法，在電壓和電流模型磁鏈觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上定義廣義誤差，并經(jīng)過PI自適應(yīng)調(diào)節(jié)后得到轉(zhuǎn)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(guān)系圖如圖1所示，圖中，d軸與電機轉(zhuǎn)子同向，M軸與氣隙磁場同向。

圖1 電機矢量關(guān)系圖

定子電流在M-T坐標系中由轉(zhuǎn)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(shè)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(jù)電機統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩公式可知電機轉(zhuǎn)矩與定子電流的勵磁分量關(guān)系如下[3]：

由公式(2)和(3)可知，轉(zhuǎn)矩與磁鏈可以進行單獨控制，從而實現(xiàn)解耦。根據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁鏈與定子電流和勵磁電流的關(guān)系，得到電勵磁同步電機基于氣隙磁場定向控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。反饋轉(zhuǎn)速通過無速度傳感器辨識得到。為提高功率因數(shù)，定子勵磁電流給定值通常設(shè)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(tǒng)原理圖

2 無傳感器速度辨識

2.1 基于模型參考自適應(yīng)理論的速度辨識

MARS是將含有待估計參數(shù)的方程作為可調(diào)模型，不含未知參數(shù)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(yīng)律，動態(tài)更新可調(diào)模型中的估計參數(shù)，使得兩個模型的誤差在穩(wěn)態(tài)時趨于零，從而得到反映實際值的參數(shù)[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(zhuǎn)子角度θr，作為可調(diào)模型，輸出氣隙磁鏈的估計值。磁鏈廣義誤差定義為：

根據(jù)自適應(yīng)原理，利用廣義誤差中的轉(zhuǎn)子位置信息，設(shè)計出速度辨識方案，模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識原理圖如圖3所示，其中自適應(yīng)調(diào)節(jié)器為PI控制器：

圖3 模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識原理圖

轉(zhuǎn)子角度為轉(zhuǎn)速的積分：

基于波波夫超穩(wěn)定理論的詳細推導(dǎo)及證明[5]，轉(zhuǎn)速辨識經(jīng)過自適應(yīng)律，可以保證其穩(wěn)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(shè)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(nèi)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(dǎo)，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(zhuǎn)速進行積分可以得到磁鏈的相位角θφ：

根據(jù)式(11)和(12)的推導(dǎo)結(jié)果，可設(shè)計出閉環(huán)形式的電壓磁鏈觀測模型如圖4所示。校正環(huán)節(jié)k的加入，有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]。由于觀測結(jié)果為定子磁鏈，需根據(jù)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(huán)形式的電壓磁鏈觀測模型

2.3 電流磁鏈模型的實現(xiàn)

由圖1的電機矢量關(guān)系可知，電流氣隙磁鏈表達式為：

阻尼繞組中的磁場感應(yīng)電壓和電阻電壓之和為0，即：

阻尼繞組通常為短路鼠籠環(huán)，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(zhuǎn)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(shù)。

3 仿真與實驗研究

3.1 仿真研究

3.1.1 系統(tǒng)仿真模型

電勵磁同步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)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(diào)制波等部分。模型中的控制由MATLAB軟件的系統(tǒng)函數(shù)實現(xiàn)。系統(tǒng)函數(shù)使用高級語言進行代碼開發(fā)，用以實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(tǒng)的函數(shù)代碼可直接移植到控制芯片的應(yīng)用程序中，加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度。

圖5 電勵磁同步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)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(qū)型風(fēng)力發(fā)電機, 其各項參數(shù)由電機廠通過實際測量給出，電機參數(shù)如表1所示。

表1 電機參數(shù)

3.1.2 仿真結(jié)果及分析

系統(tǒng)的仿真分兩個階段進行。首先控制直流電源，使轉(zhuǎn)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(yīng)出反電壓。通過電壓型觀測器，可以估算出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速。

仿真波形如圖6所示，其中圖6(a)為電機轉(zhuǎn)速的實測值和估計值轉(zhuǎn)速辨識曲線，圖6(b)為轉(zhuǎn)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(wěn)定之后，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速平穩(wěn)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(zhuǎn)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(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)測試，該公司研制生產(chǎn)的直驅(qū)式電勵磁同步風(fēng)力發(fā)電機如圖7所示。測試平臺采取兩臺同型號電機聯(lián)軸對拖的方式，其中陪試電機處于電動狀態(tài)，被試電機處于發(fā)電狀態(tài)。實驗系統(tǒng)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(xiàn)能量回饋。一臺變頻電源驅(qū)動陪試機，采用速度閉環(huán)控制；另一臺用作被試機進行能量饋送，因為需要調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率，采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

圖7直驅(qū)式電勵磁同步風(fēng)力發(fā)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(jù)實驗要求，給定陪試電機轉(zhuǎn)速為電機額定轉(zhuǎn)速16.5 r/min。電機轉(zhuǎn)子到達額定功率和額定轉(zhuǎn)速之后的定子電流波形圖如圖8所示。電機在穩(wěn)態(tài)運行時，通過轉(zhuǎn)速傳感器的通信數(shù)據(jù)進行描點和繪圖，測得的電機實際轉(zhuǎn)速波形圖如圖9所示。電機轉(zhuǎn)速圍繞給定值，在一個很小的范圍內(nèi)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(jié)論

電勵磁同步電機以其高性能和低成本的優(yōu)勢，在兆瓦級直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組中的應(yīng)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(tǒng)模型，進行了仿真和實驗研究。仿真和實驗結(jié)果表明該方法能夠準確辨識轉(zhuǎn)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(dǎo)價值。