一種用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法
2023-06-11 23:17:46
一種用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，該方法為：建立系統的小信號線性化模型，分析FIA、EPLL、VPLL、SKO控制算法下系統的小信號穩定性和穩態特性；通過時域仿真和硬體實驗，從實際應用的層面分析並驗證了理論分析的結果，揭示了FIA、EPLL、VPLL、SKO算法下系統的動態性能、算法複雜度、參數依賴性及對系統的影響；最終得出選擇用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的判別方法。本發明對選擇採用無速度傳感器辨識方法的風電系統建立了評判標準，提高了永磁直驅風電系統的高性能水平，較好的解決了現有的技術缺乏針對永磁同步發電機的轉子轉速與磁鏈位置的辨識方法的動穩態特性、參數依賴性等性能的綜合對比判別方法的問題。
【專利說明】—種用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電力電子【技術領域】，尤其涉及一種用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法。
【背景技術】
[0002]風力發電已成為最具吸引力的清潔能源發電形式之一，由於成本低、效率高等特點，變速風力發電系統已得到廣泛應用，在變速風電系統中，永磁直驅系統由於無齒輪箱、維護成本低且易於實現故障穿越而受到越來越多的關注與應用，在永磁直驅風電系統的控制中，發電機轉子轉速和轉子磁鏈位置信息至關重要，無論採用矢量控制還是直接轉矩控制，轉子轉速信息均為轉速閉環控制的關鍵反饋量；而在矢量控制中，轉子轉速、磁鏈位置更是坐標變換的前提，採用速度傳感器可以獲得轉子轉速信息，但隨著機組容量的增加，轉子軸徑越來越大，許多廠家的發電機採用外轉子結構以減小電機尺寸，速度傳感器在這些場合難以安裝，因而當前的永磁直驅風電系統越來越多地採用無速度傳感器控制策略。
[0003]目前已有大量文獻對永磁同步發電機的轉子轉速與磁鏈位置的辨識方法作了深入研究，並且其中部分方法已應用於商業化風電機組，常用的方法有以下幾種:第一，基於反電動勢的方法，如磁鏈積分法(FIA)、反電動勢鎖相環法(EPLL);第二，基於觀測器的方法，如擴展卡爾曼濾波器(extend Kalman filter)、簡化的卡爾曼觀測器(SKO);第三,基於模型參考自適應的方法，如端電壓鎖相環(VPLL)，儘管已有大量文獻對上述方法的設計步驟和性能分別作了深入探討，但缺乏針對各種方法的動穩態特性、參數依賴性等性能的綜合對比判別方法(即選擇方法)。
【發明內容】
[0004]本發明實施例的目的在於提供一種用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，旨在解決現有的技術缺乏針對永磁同步發電機的轉子轉速與磁鏈位置的辨識方法的動穩態特性、參數依賴性等性能的綜合對比判別方法的問題。
[0005]本發明實施例是這樣實現的，一種用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，該用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法包括以下步驟:
[0006]步驟一，建立系統的小信號線性化模型，分析FIA、EPLL, VPLL, SKO控制算法下系統的小信號穩定性和穩態特性，以比較不同算法穩態特性的差異；
[0007]步驟二，通過時域仿真和硬體實驗，從實際應用的層面分析並驗證了理論分析的結果，揭示了 FIA、EPLL、VPLL、SK0算法下系統的動態性能、算法複雜度、參數依賴性及對系統的影響；
[0008]步驟三，最終得出選擇用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的判別方法。
[0009]進一步，該用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法選定閉環系統運行狀態為相同的轉速、相同的負載，且參數均調整至使得辨識轉速響應相同。
[0010]進一步，在步驟一中，建立線性化小信號模型的方法為:發電機、轉速、轉矩雙閉環控制器及辨識模塊的數學模型，分別建立發電機、轉速、轉矩的狀態方程如下式示:
[0011]
【權利要求】
1.一種用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，其特徵在於，該用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法包括以下步驟: 步驟一，建立系統的小信號線性化模型，分析FIA、EPLL, VPLL, SKO控制算法下系統的小信號穩定性和穩態特性，以比較不同算法穩態特性的差異； 步驟二，通過時域仿真和硬體實驗，從實際應用的層面分析並驗證了分析的結果，揭示了 FIA、EPLL、VPLL、SKO算法下系統的動態性能、算法複雜度、參數依賴性及對系統的影響；步驟三，最終得出選擇用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的判別方法。
2.如權利要求1所述的用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，其特徵在於，該用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法選定閉環系統運行狀態為相同的轉速、相同的負載，且參數均調整至使得辨識轉速響應相同。
3.如權利要求1所述的用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，其特徵在於， 在步驟一中，建立線性化小信號模型的方法為:發電機、轉速、轉矩雙閉環控制器及辨識模塊的數學模型，分別建立發電機、轉速、轉矩的狀態方程如下式示:
4.如權利要求1所述的用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，其特徵在於，在步驟一中，FIA算法辨識策略的建立，純積分器中，PI調節器用於生成轉子磁鏈幅值的補償量，可寫作:
5.如權利要求1所述的用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，其特徵在於，在步驟一中，EPLL法辨識策略的建立，PI調節器與反正切函數可抑制環外擾動，如uab。、iabc，磁鏈位置誤差描述為:
6.如權利要求1所述的用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，其特徵在於，在步驟一中，VPLL法辨識策略的建立，VPLL直接將發動機端電壓變換至d-q坐標系，為得到轉子磁鏈位置，需由端電壓矢量位置求得的定子磁鏈位置再進行功率角的補償，d軸電壓指令參考值可以表述為:
7.如權利要求1所述的用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，其特徵在於，在步驟一中，SKO法辨識策略的建立，SKO法包括一組降維的狀態變量與常量增益矩陣。
8.如權利要求1所述的用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，其特徵在於，在步驟二中，通過MATLAB/Simulink時域仿真與硬體實驗的方法為: 在時域仿真中，建立永磁直驅風電系統的Simulink模型，網側採用電網電壓定向的矢量控制，辨識轉速與磁鏈位置的關係不一致，由於轉速與磁鏈位置的積分關係，即使辨識轉速有較大誤差波動，但若轉速誤差曲線與誤差零軸所包圍的面積小，磁鏈位置誤差便會小; 硬體實驗在15kW永磁直驅風電系統平臺上進行，風力機由帶變頻器調速的異步電機模擬，FIA、EPLL, VPLL, SKO四種方法分別作系統辨識部分後，穩態運行時的電機轉速為67.7rpm,負載轉矩為97.8Nm, FIA法、EPLL法、VPLL法及SKO法四種辨識方法下發電機三相電流的頻譜分析，每種方法控制下，最大的諧波含量為偶次諧波，尤其是二次諧波； 辨識的磁鏈位置誤差越大，控制下的電流諧波THD越大，磁鏈位置誤差決定了系統的運行特性，在矢量控制中，磁鏈位置信息被用作坐標變換，獲得更平穩的轉矩應使得電流諧波THD儘量小，即需減小辨識磁鏈位置的誤差。
9.如權利要求8所述的用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，其特徵在於，通過比較定子電感發生±25%變化時的運行特性，對比參數依賴性，仿真結果得出由弱至強依次為 SKO、EPLL, VPLL, FIA0
10.如權利要求1所述的用於永磁直驅風電系統速度辨識策略的選擇方法，其特徵在於，在步驟三中，FIA法由於算法複雜性限制實際應用，VPLL法的參數較難調試，控制效果差於FIA法、EPLL法，SKO法控制效果最差，EPLL法的有效性且易於實際數字控制器實現，適用於兆瓦級永磁直驅風電系統無速度傳感器控制策略的轉子轉速、磁鏈位置辨識策略。
【文檔編號】H02P21/14GK103701388SQ201310544616
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2013年11月6日
【發明者】李隆基, 劉寶成, 項添春, 唐慶華, 郗曉光, 滿玉巖, 王浩鳴 申請人:國家電網公司, 國網天津市電力公司