一种无刷双馈感应发电机转速估计系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无刷双馈感应发电机控制技术领域，具体涉及一种无刷双馈感应发电 机的转速估计系统。
【背景技术】
[0002] 无刷双馈感应发电机是近年来发展起来的一种新型交流感应发电机，与有刷双 馈感应发电机相比，无刷双馈感应发电机取消了电刷和滑环，具有结构简单且可靠性高的 优点，既能实现独立发电也能实现并网发电，在船舶轴带发电、风力发电、水力发电等领域 具有显著的应用优势。无刷双馈感应发电机具有两套极对数不同的定子绕组和一个特殊 的转子。这两套定子绕组分别称为功率绕组（powerwinding，以下简称PW)和控制绕组 (controlwinding，以下简称CW)，它们之间没有直接的电联系，而是通过转子实现两者之 间的磁耦合。
[0003] 要实现对无刷双馈感应发电机进行有效的控制，对其转速的准确获取是必不可少 的环节。现有获取无刷双馈感应发电机转速的系统都是通过速度传感器来进行测量，或通 过位置传感器测量出转子位置信号后再进一步处理得到转速。然而，速度传感器或位置传 感器的安装会给整个发电系统带来不良影响，主要有以下几个方面的问题：
[0004] (1)增加了系统硬件的成本和复杂性以及硬件维护成本；
[0005] (2)速度传感器和位置传感器容易受工作环境的影响，而无刷双馈感应发电机的 运行环境往往比较恶劣，因此速度或位置传感器的安装降低了系统的可靠性；
[0006] (3)在电机轴上安装速度或位置传感器会增大电机轴向体积，降低了系统的机械 鲁棒性；
[0007] (4)如果速度传感器或位置传感器与电机轴的同心度不高，会影响传感器的寿命 以及转速或转子位置的测量精度，这对传感器安装的同心度提出了极高的要求。
[0008] 因此，为了提高无刷双馈感应发电机运行的鲁棒性，降低系统的硬件成本，有必要 设计出新的系统来估计无刷双馈感应发电机的转速。
[0009] 以下对本发明中有关概念加以解释：
[0010] abc坐标系：为电机控制中常用概念，具有相交于原点的a轴、b轴和c轴三个坐标 轴，这三个坐标轴在空间静止且互差120度对称分布，按顺时针方向，依次为a轴、b轴和c 轴；
[0011] 两相静止坐标系：为电机控制中常用概念，具有相交于原点的a轴和0轴两个坐 标轴，这两个坐标轴在空间静止且互差90度，按逆时针方向，依次为a轴和0轴；
[0012] 本发明中，a轴和a轴重合；
[0013] 电压正序基波分量：当三相电压不平衡时，它可以分解为正序分量、负序分量和零 序分量；各分量中均包含基波分量和谐波分量，电压正序基波分量是指电压正序分量中滤 除了谐波分量之后的部分；
[0014] 电流基波分量：电流包括基波分量和谐波分量，电流基波分量是指电流中滤除了 谐波分量之后的部分；
[0015] PI控制器：为电机控制中常用概念，本发明中第一PI控制器、第二PI控制器的形 式均为kp+kii，其中，kp为比例增益，ki为积分增益，S为拉普拉斯算子，它对控制目标的s 给定值与反馈值之间的偏差分别进行PI控制器所给出的比例运算和积分运算，然后将比 例运算和积分运算的结果相加构成控制量，对被控对象进行控制。kp及ki的调试方法为：
[0016] 先将ki设为0,然后逐渐增大kp直到控制目标出现超调为止，kp不再变化，然后 再逐渐增大ki，直到控制目标的调节时间达到用户的需求为止。
【发明内容】
[0017] 本发明提供一种无刷双馈感应发电机转速估计系统，目的在于省去无刷双馈感应 发电机控制系统中的转速传感器和转子位置传感器，提高无刷双馈感应发电机运行的鲁棒 性，降低系统的硬件成本和维护成本，以实现无刷双馈感应发电机在独立和并网发电模式 下空载、带三相对称负载、不对称负载和整流桥负载等各种工况下都能对转速进行准确估 计。
[0018] 本发明所提供的一种无刷双馈感应发电机转速估计系统，其包括电压变换模块、 电流变换模块、PW电压正序基波提取器、CW电流基波提取器、电压幅值归一化模块、电流幅 值归一化模块、相位混合器和转子位置锁相环；
[0019] 所述电压变换模块将abc坐标系下的PW的a相电压ula、b相电压ulb和c相电压 七。变换为两相静止坐标系下的a轴电压分量Ula和0轴电压分量Uip，送至所述PW电压 正序基波提取器；
[0020]
[0021] 所述电流变换模块将abc坐标系下的CW的a相电流i2a、b相电流i2b和c相电流 i2。变换为两相静止坐标系下的a轴电流分量i2a和0轴电流分量i2P，送至所述CW电流 基波提取器；
[0022]
[0023] 所述PW电压正序基波提取器对ula和ulfi滤除谐波的同时提取出正序基波a轴 分量《!+?/和正序基波0轴分量，送至所述电压幅值归一化模块，以避免PW电压畸变对 无刷双馈感应发电机转速估计精度的影响；所述PW电压正序基波提取器同时还求出PW电 压正序基波的估计频率命，送至CW电流基波提取器；
[0024] 所述CW电流基波提取器首先根据為和无刷双馈感应发电机的转速估计值计算 CW电流基波频率的估计值&，然后根据&对i2a和i2fi进行自适应滤波得到CW电流基波 a轴分量i2af和CW电流基波0轴分量i2Pf，送至所述电流幅值归一化模块，以避免CW电 流中的谐波对无刷双馈感应发电机转速估计精度的影响；
[0025] 所述电压幅值归一化模块将仏+^和^^^归一化为幅值为1的余弦量cos 0 :和正 弦量sin9 1:
[0026]
;;其中9 ^PW电压正序基波的真实相位；
[0027] 所述电流幅值归一化模块将i2af和i2"归一化为幅值为1的余弦量cos0 2和正 弦量sin9 2:
[0028]
卜其中02为CW电流基波的真实相位；
[0029] 所述电压幅值归一化模块和电流幅值归一化模块可以使得转子位置锁相环中的 PI控制器的性能不受PW电压幅值和CW电流幅值变化的影响，保证了本发明的鲁棒性；
[0030]所述相位混合器计算正弦值sin( 0片0 2)和余弦值cos( 0片0 2)，并将它们送至 所述转子位置锁相环；
[0031]sin( 0j+ 0 2) =sin( 9 :)cos( 9 2) +c〇s( 9 :)sin( 9 2)
[0032] ；
[0033]cos( 0j+0 2) =cos( 9 :)cos( 9 2)_sin( 9 :)sin( 9 2)
[0034] 所述转子位置锁相环根据sin( 0d0 2)和cos( 0d0 2)得到无刷双馈感应发电机 的转速估计值命.。
[0035] 所述的无刷双馈感应发电机转速估计系统，其特征在于：
[0036] 所述PW电压正序基波提取器包括第一广义积分器、第二广义积分器、正序分量计 算模块、PW电压锁相环；
[0037] 第一广义积分器滤除ula中的高次谐波得到a轴电压基波分量ulaf，并对其进行 90°的相角偏移，得到a轴移相电压基波分量qulaf，将ulaf和qulaf送至正序分量计算模 块；
[0038] 所述第一广义积分器为自适应二阶广义积分器，包括加法器A1、比例器P1、加法 器A2、比例器P2、比例器P3、积分器II和积分器12;
[0039] ula和ulaf输入加法器A1，进行ula_ulaf运算，其运算结果送入比例器Pl， 比例器P1的运算结果kX(ula-ulaf)与比例器P3的运算结果qulaf送入加法器A2， 加法器A2的运算结果kX(ula-ulaf)-qula送至比例器P2,比例器P2的运算结果 (h(Mla-Mla/)-gMla)x命经积分器n进行积分运算后得到a轴电压基波分量屮…ulaf输出至正序分量计算模块，同时送至积分器12做积分运算，其运算结果送至比例器P3， 与PW电压正序基波分量的估计频率今相乘后，比例器P3输出结果为a轴移相电压基波分 量qulaf，qulaf输出至正序分量计算模块，同时还送至加法器A2;其中，今为第一广义积分 器的谐振频率，〇 <阻尼系数k< 2,k值越大，第一广义积分器的响应越快，但滤波效果越 差，折中考虑，一般选取灸=
[0040] 第二广义积分器滤除ulfi中的高次谐波得到0轴电压基波分量^^，并对其进行 90°的相角偏移，得到0轴移相电压基波分量qu1Pf，将u1Pf和qu1Pf送至正序分量计算模 块；
[0041] 所述第二广义积分器与第一广义积分器组成完全相同，区别仅在于以ulfi、Ulfif、 qu1Pf分别代替ula、ulaf、qulaf;
[0042]正序分量计算模块计算正序基波a轴分量和正序基波|3轴分量，并将 它们送至PW电压锁相环；
[0043]
[0044]
[0045] 所述PW电压锁相环包括乘法器M1、乘法器M2、加法器A3、第一正弦计算器、第一余 弦计算器、第一PI控制器、加法器A4和积分器13，
[0046]分别将表示为cos^pCT^sinM，其中，[/&表示PW电压正序基波 分量的幅值，9 :表不PW电压正序基波分量的真实相位值；
[0047] 分别输入乘法器M1、乘法器M2,第一正弦计算器计算相位估计值g的 正弦值sin^送至乘法器M1，第一余弦计算器计算相位估计值^^余弦值cosg送至乘法器 M2 ;乘法器Ml将<^Xsin么作为加法器A3的一个输入，乘法器M2将！^yXcos