专利名称：抽水蓄能电站静止变频启动电机转子初始位置检测方法
技术领域：
本发明涉及一种抽水蓄能电站静止变频无位置传感器的启动控制的关键技术之一，属于抽水蓄能电站静止变频启动技术。
背景技术：
目前，在世界各国，抽水蓄能电站一般都将静止变频启动作为首选的启动方式，在抽水蓄能电站自动控制系统及成套设备中，静止变频器为其中的关键启动设备，对于保证大型抽水蓄能机组的快速可靠启动和抽水蓄能电站的稳定运行具有重要意义。长期以来，我国大型抽水蓄能电站控制系统设备一般采用与主机捆绑招标的方式从国外引进，国内的研究单位和设备厂商参与甚少。因此，国内在此方面的研究很少，尤其在抽水蓄能电站静止变频启动低速阶段无位置传感器启动的控制这一核心技术方面，国内尚无文献对此进行深入研究。
抽水蓄能电站静止变频器为“交-直-交”电流源型，整流桥将交流电整流成直流电，逆变桥再将直流电逆变为频率可调的交流电，中间的平波电抗器用于整流桥输出后的平波和去耦，使变频器主回路的直流电流波形平直、脉动小，具有电流源特性。基本工作原理为控制系统根据电机转速和位置信号，控制晶闸管静止变频装置对同步电机进行变频调速，从而产生从零到额定频率值的变频电源，同步地将机组拖动起来。
基于无位置传感器的变频器启动控制中，转子初始位置判断是否正确是同步电机启动关键技术之一，目前已有的文献对初始位置的判断的原理进行了介绍，但没有对此进行深入研究的相关文献。正确判断出转子位置的难点如下1、如何判断出初励的准确时刻，并将初励产生的感应电压信号提取出来；2、计算初始转子位置的算法，关系到初始位置判断的精度； 因此，转子初始位置的算法是变频器无位置传感器的启动关键技术之一，也是我国抽水蓄能电站静止变频启动装置国产化的一个技术难点。
发明内容
本发明要解决技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种抽水蓄能电站静止变频启动电机转子初始位置检测方法，其克服了2个难点1、如何判断出初励的准确时刻，并将初励产生的感应电压信号提取出来；2、采用新型转子初始位置的算法，提高转子初始位置判断的精度。
为了解决以上技术问题，本发明的1.抽水蓄能电站静止变频启动电机转子初始位置检测方法，包括如下步骤 第一步、转子初励时刻判断 通过AD采样出来的电机定子线电压值，当三相线电压中的最大值连续5ms大于发电机定子额定电压的5‰时，认为当前采样时刻为转子初励时刻，并进入步骤B； 第二步、将从转子初励时刻开始的各采样时刻所采样获得的三相电压进行PARK变换，得到电压在静止坐标系下的α、β分量uα(k)、uβ(k)，式中，k为采样时刻； 第三步、根据公式(1)、(2)依次计算各采样时刻对应的转子磁通矢量的α、β分量ψα(k)，ψβ(k)， 其中，s为拉普拉斯变换系数，ωc为滤波器的截止频率，u(k)表示k时刻对应的PI调节输出量，PI调节算法采用增量式PI算法 式中，kP、kI分别为PI调节的比例、积分参数，Ts为DSP设置的采样周期常数，e(k)为第k次采样时输入量之间的偏差值 e(k)＝(ψβ(k-1)·uβ(k)+ψα(k-1)·uα(k))/|ψ(k-1)| (4) 其中， θ(k-1)＝arctan(ψβ(k-1)/ψα(k-1)) (6) 第四步、通过公式(7)反正切求解各时刻转子位置角， θ(k)＝arctan(ψβ(k)/ψα(k)) (7) 第五步、当最近的连续N个采样时刻所对应的转子位置角趋于稳定，则电机转子初始位置角等于这N个采样时刻所对应的转子位置角的平均值。
第五步中，N的取值范围为5-20。
第五步中，判断转子位置角趋于稳定的方法如下将最近N次采样时刻对应的转子位置角中的最大值、最小值与平均值之差在[-θ′，θ′]之间，则认为转子位置角已趋于稳定，θ′的取值范围为1-8度。
第二步中，根据公式(8)求解电压在静止坐标系下的α、β分量uα(k)、uβ(k)， 式中，uA(k)、uB(k)、uC(k)为k时刻的三相相电压。
或根据公式(9)求解电压在静止坐标系下的α、β分量uα(k)、uβ(k)， 式中，uAB(k)、uBC(k)、uCA(k)为k时刻的三相线电压。
对静止坐标系下的α、β电压积分可求出对应的转子磁通矢量的α、β分量，再将转子磁通矢量的α、β分量反正切求解可得转子位置角。在实际的控制器数字处理过程中，如果采用纯积分方式求解静止坐标系下的转子矢量位置，采样通道的直流偏移会使积分器产生较大误差，甚至会使积分器饱和而导致转子位置计算错误；如果不采用积分方法，直接利用uα，uβ求解转子位置，会由于采样通道引入的随机干扰量导致转子位置的精度大大降低；而采用本发明采用了“自适应调节磁通器”(步骤三)进行计算既能够消除通道中直流分量，又能够大大提高转子位置计算精度。
本发明所提出的抽水蓄能电站静止变频启动电机初始位置判定算法，具有以下明显优点 1、通过合理的设置判断出转子初励时刻，为正确启动积分运算提供保证； 2、用本发明中自适应调节磁通器进行计算能够快速、准确地计算出转子位置，由于采用积分方法，计算转子位置的精度与时间是可以控制的； 3、为确保转子位置的精度得到保证，在算法中加入判断滤波算法，大大提高初始值判断的精确度。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1本发明抽水蓄能电站静止变频启动初始位置计算的控制流程。
图2本发明自适应调节磁通的控制模型。
具体实施例方式 如图1所示为本发明控制流程图，本抽水蓄能电站静止变频启动电机转子初始位置检测方法，包括如下步骤 第一步、转子初励时刻判断，能否正确判断出转子初励时刻对于本发明提出的初始位置检测算法十分关键 通过AD采样出来的电机定子线电压值，当三相线电压中的最大值连续5ms大于发电机定子额定电压的5‰时，认为当前采样时刻为转子初励时刻，并进入步骤B； 第二步、将从转子初励时刻开始的各采样时刻所采样获得的三相电压进行PARK变换，得到电压在静止坐标系下的α、β分量uα(k)、uβ(k)，式中，k为采样时刻； 第三步、经过自适应调节磁通算法(如图2所示为本发明涉及的自适应调节磁通控制模型)，计算出静止坐标系下的转子磁通 根据公式(1)、(2)依次计算各采样时刻对应的转子磁通矢量的α、β分量ψα(k)，ψβ(k)， 其中，s为拉普拉斯变换系数，ωc为滤波器的截止频率，u(k)表示k时刻对应的PI调节输出量，PI调节算法采用增量式PI算法 式中，kP、kI分别为PI调节的比例、积分参数，Ts为DSP设置的采样周期常数，本例中，ωc＝15HZ，kP＝2、kI＝100，Ts＝1.25ms，e(k)为第k次采样时输入量之间的偏差值 e(k)＝(ψβ(k-1)·uβ(k)+ψα(k-1)·uα(k))/|ψ(k-1)| (4) 其中， θ(k-1)＝arctan(ψβ(k-1)/ψα(k-1))(6) 第四步、通过公式(7)反正切求解各时刻转子位置角， θ(k)＝arctan(ψβ(k)/ψα(k)) (7) 第五步、当最近的连续N(本例中取10)个采样时刻所对应的转子位置角趋于稳定，则电机转子初始位置角等于这N个采样时刻所对应的转子位置角的平均值。一般，N的取值范围为5-20。
第五步中，判断转子位置角趋于稳定的方法如下将最近N次采样时刻对应的转子位置角中的最大值、最小值与平均值之差在[[-θ′，θ′]之间(本例中θ′取5°)，则认为转子位置角已趋于稳定，一般而言θ′的取值范围为1-8度。
第二步中，根据公式(8)求解电压在静止坐标系下的α、β分量uα(k)、uβ(k)， 式中，uA(k)、uB(k)、uC(k)为k时刻的三相相电压。
或根据公式(9)求解电压在静止坐标系下的α、β分量uα(k)、uβ(k)， 式中，uAB(k)、uBC(k)、uCA(k)为k时刻的三相线电压。
通过半实物RTDS仿真试验测量出的数据见表1，以及在抽水蓄能电站测量出来转子初始位置数据见表2，所有测量结果表明本发明提出的转子初始位置的检测方法是正确的。
试验结果 表1为利用RTDS做半实物仿真测得试验数据；表2为在潘家口抽水蓄能电站现场测得试验数据。
表1RTDS试验测量的数据 以上RTDS的试验结果表明，设置值与测量值的偏差均控制在[-5°，5°]之内，满足设计要求。
表2潘家口抽水蓄能电站现场测得试验数据
以上现场试验数据表明，本发明提出的转子初始位置判断的方法正确，精度高。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1.抽水蓄能电站静止变频启动电机转子初始位置检测方法，包括如下步骤
第一步、转子初励时刻判断
通过AD采样出来的电机定子线电压值，当三相线电压中的最大值连续5ms大于发电机定子额定电压的5‰时，认为当前采样时刻为转子初励时刻，并进入步骤B；
第二步、将从转子初励时刻开始的各采样时刻所采样获得的三相电压进行PARK变换，得到电压在静止坐标系下的α、β分量uα(k)、uβ(k)，式中，k为采样时刻；
第三步、根据公式(1)、(2)依次计算各采样时刻对应的转子磁通矢量的α、β分量ψα(k)，ψβ(k)，
其中，s为拉普拉斯变换系数，ωc为滤波器的截止频率，u(k)表示k时刻对应的PI调节输出量，PI调节算法采用增量式PI算法
式中，kP、kI分别为PI调节的比例、积分参数，Ts为DSP设置的采样周期常数，e(k)为第k次采样时输入量之间的偏差值
e(k)＝(ψβ(k-1)·uβ(k)+ψα(k-1)·uα(k))/|ψ(k-1)| (4)
其中，
θ(k-1)＝arctan(ψβ(k-1)/ψα(k-1)) (6)
第四步、通过公式(7)反正切求解各时刻转子位置角，
θ(k)＝arctan(ψβ(k)/ψα(k))(7)
第五步、当最近的连续N个采样时刻所对应的转子位置角趋于稳定，则电机转子初始位置角等于这N个采样时刻所对应的转子位置角的平均值。
2.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站静止变频启动电机转子初始位置检测方法，其特征是第五步中的N取值范围为5-20。
3.根据权利要求2所述的抽水蓄能电站静止变频启动电机转子初始位置检测方法，其特征是第五步中，判断转子位置角趋于稳定的方法如下当最近N次采样时刻对应的转子位置角中的最大值、最小值与平均值之差在[-θ′，θ′]之间，则认为转子位置角已趋于稳定，θ′的取值范围为1-8度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的抽水蓄能电站静止变频启动电机转子初始位置检测方法，其特征是第二步中，根据公式(8)求解电压在静止坐标系下的α、β分量uα(k)、uβ(k)，
式中，uA(k)、uB(k)、uC(k)为k时刻的三相相电压。
5.根据权利要求1-3任一项所述的抽水蓄能电站静止变频启动电机转子初始位置检测方法，其特征是第二步中，根据公式(9)求解电压在静止坐标系下的α、β分量uα(k)、uβ(k)，
式中，uAB(k)、uBC(k)、uCA(k)为k时刻的三相线电压。
全文摘要
抽水蓄能电站静止变频启动电机转子初始位置检测方法，包括如下步骤通过对机端线电压的AD采样判定转子初励时刻；转子初励时刻被发现后，计算出静止坐标下的三相电压；经过自适应调节磁通算法，计算出静止坐标系下的转子磁通；反正切求出转子位置角；转子位置角稳定时即为转子初始位置角。本发明通过合理的设置判断出转子初励时刻，为正确启动积分运算提供保证；自适应调节磁通器进行计算能够快速、准确地计算出转子位置，既消除通道中直流分量，又能够大大提高转子位置计算精度，由于采用积分方法，计算转子位置的精度与时间是可控；为确保转子位置的精度得到保证，在算法中加入判断滤波算法，大大提高初始值判断的精确度。
文档编号H02P6/14GK101719753SQ20091026409
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者李官军, 陶以彬, 王德顺, 刘华栋, 桑丙玉, 徐晓楠, 柴佳, 俞斌, 吕宏水, 冯炜, 杨波 申请人:国网电力科学研究院, 国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂