[發明專利]低速直驅型永磁同步發電機轉速與轉子位置估算方法

無效

• 申請號: 201210557467.7
• 申請日: 2012-12-19
• 公開（公告）號: CN103051280A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 張輯;陳天翔;彭彥卿;郭建炎;孫園;田洪;邵振華;蘇曉藝
• 申請（專利權）人: 廈門理工學院
• 主分類號: H02P21/14
• 分類號: H02P21/14
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種永磁同步發電機，尤其是涉及一種低速直驅型永磁同步發電機轉速與轉子位置估算方法。

背景技術

能源和環境問題是當今人類生存和發展所需解決的緊迫問題，隨著非再生能源的銳減，風能、太陽能等綠色可再生能源的利用具有十分重要的意義。近年來，采用永磁同步發電機及全功率變換器的風力發電機組越來越多，永磁同步發電機具有較高的效率和功率密度。同時，采用全功率變換器可擴展發電機的轉速運行范圍，具有更高的風能捕獲效率。

在低速直驅型永磁同步發電機中，需要準確獲取電機轉子位置和轉速信息并將其轉化為數字信號以供控制電路使用。轉子位置信息準確與否直接關系永磁同步發電機的運行性能。

一般情況下，可通過安裝在發電機軸上的編碼器獲取轉子轉速和位置信息，但在風力發電系統中，機艙環境較為惡劣、編碼器容易受到污染，從而導致輸出信號不準確，影響系統正常運行；其次，由于編碼器的安裝增加了系統的軸向長度，安裝過程中容易損耗；另外，由于低速直驅型永磁同步發電機極對數相對較多，造成編碼器難以在機械傳動一周內實現較高的電角度分辨率，因此采用無速度傳感器進行轉子位置和轉速獲取具有重要意義。

對于發電機轉速和位置估算的方法有多種，其中，基于發電機反電勢的方法應用較為廣泛，該方法的主要問題是在低速區由于反電勢過小，難以準確估計而造成估算效果不好。但對于風力發電系統而言，只有風速達到切入風速時，風力機才投入運行，不存在“低速”運行情況，故基于反電勢的方法可以很好地應用于直驅型永磁同步發電機系統中。對于反電勢的估算有開環和閉環兩種，閉環方法具有更好的穩定性，切對系統參數不是特別敏感，具有較好的性能。

中國專利CN101505130公開一種永磁同步發電機轉子位置估算及校正方法，以電機積端相、線電壓過零點為界，將電機轉子360°電氣角度分為12個電氣角度區間，以三相相、線電壓與零的相對關系作為當前角度區間通用判斷方法，以提出的當前電氣角度區間特殊判斷流程為依據，判斷當前電氣角度區間，并根據發電機轉子電氣轉速計算得到電機轉子電氣角度增量，在每個電氣角度區域里起始點對應角度與相對于起始點電氣角度增量之和便為電機轉子的位置信號。以上述位置信號量作為基本位置信號量，運用特定的控制算法估算電機轉子位置信息的偏差量，并以該偏差量作為位置校正環節的反饋量，通過調節器調節，將輸出結果補償到基本位置信號量中，從而得到準確的電機轉子位置信號。

發明內容

本發明的目的是提供基于全階觀測器的發電機反電勢估測方法，實現永磁同步發電機的轉子位置與轉速的精確獲取的一種低速直驅型永磁同步發電機轉速與轉子位置估算方法。

本發明包括以下步驟：

1）建立永磁同步發電機的系統狀態空間模型：

2）建立基于全階狀態觀測器的基本結構；

3）建立永磁同步發電機狀態觀測器的系統結構；

4）基于反電勢對發電機的轉速及位置進行估測。

在步驟1）中，所述建立永磁同步發電機的系統狀態空間模型的具體方法可為：

建立估算待測定坐標系和真實坐標系（d，q）之間的關系，定義兩個坐標系之間的角度差為其中θ_g為真實的轉子位置，為待測定的轉子位置，由此定義由永磁體產生的發電勢和待測定坐標系之間的關系；假設轉子位置被精確估計，即轉子永磁體產生的反電勢完全位于q軸上，得到此時的永磁同步發電機的電壓方程；再將得到的電壓方程轉化為狀態空間模型。

在步驟3）中，所述建立永磁同步發電機狀態觀測器的系統結構的具體方法可為：將永磁發電機的狀態空間模型對應轉化成觀測器各部分，得到輸出變量與狀態變量；驗證系統可觀性，即對應永磁同步發電機發電勢的可觀性；建立永磁同步發電機狀態觀測器的系統結構，詳細描述輸入、輸出以及估測變量間的關系，并得到觀測器特征方程。

在步驟4）中，所述基于反電勢對發電機的轉速及位置進行估測可采用以下方法：確定觀測器增益矩陣L，從而得到發電機的反電勢；根據步驟1中的估測坐標系和真實坐標系的空間關系，確定控制目標為使之作為閉環系統的誤差信號；建立完整的反電勢測定及轉子位置和速度估測框圖，獲取發電機轉速及位置的測定值。

本發明具有以下優點：

本發明簡單可靠、易于實現，采用基于全階觀測器的永磁同步發電機反電勢，實現了轉子位置與轉速值的準確估測，實現了低速直驅型永磁同步發電機的高效運行。

附圖說明

圖1是估算坐標系和真實坐標系之間的關系。

圖2是狀態觀測器的基本結構。