一种用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，该方法为：建立系统的小信号线性化模型，分析FIA、EPLL、VPLL、SKO控制算法下系统的小信号稳定性和稳态特性；通过时域仿真和硬件实验，从实际应用的层面分析并验证了理论分析的结果，揭示了FIA、EPLL、VPLL、SKO算法下系统的动态性能、算法复杂度、参数依赖性及对系统的影响；最终得出选择用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的判别方法。本发明对选择采用无速度传感器辨识方法的风电系统建立了评判标准，提高了永磁直驱风电系统的高性能水平，较好的解决了现有的技术缺乏针对永磁同步发电机的转子转速与磁链位置的辨识方法的动稳态特性、参数依赖性等性能的综合对比判别方法的问题。
【专利说明】—种用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子【技术领域】，尤其涉及一种用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法。
【背景技术】
[0002]风力发电已成为最具吸引力的清洁能源发电形式之一，由于成本低、效率高等特点，变速风力发电系统已得到广泛应用，在变速风电系统中，永磁直驱系统由于无齿轮箱、维护成本低且易于实现故障穿越而受到越来越多的关注与应用，在永磁直驱风电系统的控制中，发电机转子转速和转子磁链位置信息至关重要，无论采用矢量控制还是直接转矩控制，转子转速信息均为转速闭环控制的关键反馈量；而在矢量控制中，转子转速、磁链位置更是坐标变换的前提，采用速度传感器可以获得转子转速信息，但随着机组容量的增加，转子轴径越来越大，许多厂家的发电机采用外转子结构以减小电机尺寸，速度传感器在这些场合难以安装，因而当前的永磁直驱风电系统越来越多地采用无速度传感器控制策略。
[0003]目前已有大量文献对永磁同步发电机的转子转速与磁链位置的辨识方法作了深入研究，并且其中部分方法已应用于商业化风电机组，常用的方法有以下几种:第一，基于反电动势的方法，如磁链积分法(FIA)、反电动势锁相环法(EPLL);第二，基于观测器的方法，如扩展卡尔曼滤波器(extend Kalman filter)、简化的卡尔曼观测器(SKO);第三,基于模型参考自适应的方法，如端电压锁相环(VPLL)，尽管已有大量文献对上述方法的设计步骤和性能分别作了深入探讨，但缺乏针对各种方法的动稳态特性、参数依赖性等性能的综合对比判别方法(即选择方法)。
【发明内容】
[0004]本发明实施例的目的在于提供一种用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，旨在解决现有的技术缺乏针对永磁同步发电机的转子转速与磁链位置的辨识方法的动稳态特性、参数依赖性等性能的综合对比判别方法的问题。
[0005]本发明实施例是这样实现的，一种用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，该用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法包括以下步骤:
[0006]步骤一，建立系统的小信号线性化模型，分析FIA、EPLL, VPLL, SKO控制算法下系统的小信号稳定性和稳态特性，以比较不同算法稳态特性的差异；
[0007]步骤二，通过时域仿真和硬件实验，从实际应用的层面分析并验证了理论分析的结果，揭示了 FIA、EPLL、VPLL、SK0算法下系统的动态性能、算法复杂度、参数依赖性及对系统的影响；
[0008]步骤三，最终得出选择用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的判别方法。
[0009]进一步，该用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法选定闭环系统运行状态为相同的转速、相同的负载，且参数均调整至使得辨识转速响应相同。
[0010]进一步，在步骤一中，建立线性化小信号模型的方法为:发电机、转速、转矩双闭环控制器及辨识模块的数学模型，分别建立发电机、转速、转矩的状态方程如下式示:
[0011]
【权利要求】
1.一种用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，其特征在于，该用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法包括以下步骤: 步骤一，建立系统的小信号线性化模型，分析FIA、EPLL, VPLL, SKO控制算法下系统的小信号稳定性和稳态特性，以比较不同算法稳态特性的差异； 步骤二，通过时域仿真和硬件实验，从实际应用的层面分析并验证了分析的结果，揭示了 FIA、EPLL、VPLL、SKO算法下系统的动态性能、算法复杂度、参数依赖性及对系统的影响；步骤三，最终得出选择用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的判别方法。
2.如权利要求1所述的用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，其特征在于，该用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法选定闭环系统运行状态为相同的转速、相同的负载，且参数均调整至使得辨识转速响应相同。
3.如权利要求1所述的用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，其特征在于， 在步骤一中，建立线性化小信号模型的方法为:发电机、转速、转矩双闭环控制器及辨识模块的数学模型，分别建立发电机、转速、转矩的状态方程如下式示:
4.如权利要求1所述的用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，其特征在于，在步骤一中，FIA算法辨识策略的建立，纯积分器中，PI调节器用于生成转子磁链幅值的补偿量，可写作:
5.如权利要求1所述的用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，其特征在于，在步骤一中，EPLL法辨识策略的建立，PI调节器与反正切函数可抑制环外扰动，如uab。、iabc，磁链位置误差描述为:
6.如权利要求1所述的用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，其特征在于，在步骤一中，VPLL法辨识策略的建立，VPLL直接将发动机端电压变换至d-q坐标系，为得到转子磁链位置，需由端电压矢量位置求得的定子磁链位置再进行功率角的补偿，d轴电压指令参考值可以表述为:
7.如权利要求1所述的用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，其特征在于，在步骤一中，SKO法辨识策略的建立，SKO法包括一组降维的状态变量与常量增益矩阵。
8.如权利要求1所述的用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，其特征在于，在步骤二中，通过MATLAB/Simulink时域仿真与硬件实验的方法为: 在时域仿真中，建立永磁直驱风电系统的Simulink模型，网侧采用电网电压定向的矢量控制，辨识转速与磁链位置的关系不一致，由于转速与磁链位置的积分关系，即使辨识转速有较大误差波动，但若转速误差曲线与误差零轴所包围的面积小，磁链位置误差便会小; 硬件实验在15kW永磁直驱风电系统平台上进行，风力机由带变频器调速的异步电机模拟，FIA、EPLL, VPLL, SKO四种方法分别作系统辨识部分后，稳态运行时的电机转速为67.7rpm,负载转矩为97.8Nm, FIA法、EPLL法、VPLL法及SKO法四种辨识方法下发电机三相电流的频谱分析，每种方法控制下，最大的谐波含量为偶次谐波，尤其是二次谐波； 辨识的磁链位置误差越大，控制下的电流谐波THD越大，磁链位置误差决定了系统的运行特性，在矢量控制中，磁链位置信息被用作坐标变换，获得更平稳的转矩应使得电流谐波THD尽量小，即需减小辨识磁链位置的误差。
9.如权利要求8所述的用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，其特征在于，通过比较定子电感发生±25%变化时的运行特性，对比参数依赖性，仿真结果得出由弱至强依次为 SKO、EPLL, VPLL, FIA0
10.如权利要求1所述的用于永磁直驱风电系统速度辨识策略的选择方法，其特征在于，在步骤三中，FIA法由于算法复杂性限制实际应用，VPLL法的参数较难调试，控制效果差于FIA法、EPLL法，SKO法控制效果最差，EPLL法的有效性且易于实际数字控制器实现，适用于兆瓦级永磁直驱风电系统无速度传感器控制策略的转子转速、磁链位置辨识策略。
【文档编号】H02P21/14GK103701388SQ201310544616
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】李隆基, 刘宝成, 项添春, 唐庆华, 郗晓光, 满玉岩, 王浩鸣 申请人:国家电网公司, 国网天津市电力公司