风力发电机组电动变桨系统无桨叶位置传感器的运行方法与流程

本发明涉及风力发电机组电动变桨系统的技术领域，尤其是指一种风力发电机组电动变桨系统无桨叶位置传感器的运行方法。

背景技术：

目前，风力发电机组电动变桨系统都是采用在每个桨叶控制系统中安装位置传感器检测电机转子位置和速度，进而通过传动变比计算出桨叶位置与速度的方法，其中电动变桨系统所安装的位置传感器一般采用旋转变压器或是编码器，该方法的优点是可以较为准确地检测出电机转子位置与速度，实现桨叶位置与速度较高精度的控制，但是由于该方法需要在电机本体上安装旋转变压器，通过专用电缆将旋转变压器检测出的转子位置/速度信号传输送给变桨控制轴箱进行桨叶位置与速度控制，因而存在安装、连接可靠性等问题。此外，由于需要采用旋转变压器检测变桨电机的位置和速度，因而会增加整个变桨系统的成本，这对于目前风电行业面对严峻的成本控制形势是十分不利的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种安全可靠、行之有效的风力发电机组电动变桨系统无桨叶位置传感器的运行方法，可有效降低风力发电机组整个变桨系统的成本。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：风力发电机组电动变桨系统无桨叶位置传感器的运行方法，该方法通过采样变桨电机运行实际运行过程中的电压、电流估算出变桨电机转子的位置与速度信号，而后再通过传动比推算出桨叶位置与速度，从而实现桨叶位置与速度的控制；其中，对于采用永磁同步电机作为驱动机构的电动变桨系统，永磁同步电机在两相静止坐标系下数学模型如式(1)、式(2)所示：

式中，iα、iβ为永磁同步电机定子绕组电流；uα、uβ为定子绕组电压；eα、eβ为定子绕组反电动势；rs、ls分别为定子绕组电阻与电感；为永磁体励磁磁链；ωe为转子电角速度；θe为转子电角度位置；

从式2能够得出，转子电角度位置与电角速度能够表示为下式(3)：

根据式(1)永磁同步电机的数学模型，构建转子位置估算坐标系中永磁同步电机的数学模型如式(4)所示：

式中，i′α、i′β为转子位置估算坐标系下永磁同步电机定子绕组电流；e′α、e′β为转子位置估算坐标系中定子绕组反电动势；

根据转子位置估算坐标系下永磁同步电机的数学模式，构建桨叶位置与速度估算模型，采样永磁同步电机实际运行过程中的定子绕组电压uα、uβ，通过式(4)计算出定子绕组估算电流i′α、i′β，估算电流与永磁同步电机定子绕组实际电流进行比较，其差值通过电流调节器调节输出估算反电动势e′α、e′β，经过滤波处理后通过式(3)计算出转子电角度位置θe与转子电角速度ωe；

采用桨叶位置与速度估算模型的变桨系统永磁同步电机控制系统，其变桨电机采用位置控制模块、速度控制模块、转矩控制模块闭环控制，桨叶位置给定与桨叶实际位置作为位置控制模块的输入，该模块的输出加上给定的速度偏移量与桨叶实际速度作为速度控制模块的输入，速度控制模块的输出加上给定的转矩偏移量与电机实际转矩作为转矩控制模块的输入，转矩控制模块输出驱动机构控制指令，驱动机构按照该指令驱动变桨电机按照系统给定的位置与转速运行；其中，变桨电机控制过程中的实际位置与转速信号通过桨叶位置与速度估算模型进行估算，该模型通过实时采样变桨电机实际运行过程中的电压、电流信号来估算出电机的位置与转速信号，从而实现永磁同步电机的位置与速度闭环控制。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、采用旋转变压器检测桨叶位置与速度的方案，需要在电机本体上面安装旋转变压器并且旋转变压器信号需要通过电机与控制轴柜之间的专用电缆进行传输，因而存在安装、连接等可靠性问题。本方案采用变桨电机电压电流信号进行桨叶位置与速度估算的方法，不用安装额外的旋转变压器，因而不存在上述的安装、连接等可靠性问题。

2、采用旋转变压器检测桨叶位置与速度的方案需要在每个变桨电机上面安装旋转变压器，即一套变桨系统需要安装三个旋转变压器，本方案由于采用了桨叶位置速度估算的方法，因而不需要安装额外的旋转变压器，相对于采用旋转变压器检测桨叶位置与速度的方案可以省去三个旋转变压器以及相应解码电路的成本，这对于目前风电行业面对严峻的成本形势是十分有利的。

附图说明

图1为桨叶位置与速度估算模型的示意图。

图2为采用桨叶位置与速度估算模型的变桨系统永磁同步电机控制系统框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所提供的风力发电机组电动变桨系统无桨叶位置传感器的运行方法，通过采样变桨电机运行实际运行过程中的电压、电流估算出变桨电机转子的位置与速度信号，而后再通过传动比推算出桨叶位置与速度，从而实现桨叶位置与速度的控制。

对于采用永磁同步电机作为驱动机构的电动变桨系统，永磁同步电机在两相静止坐标系下数学模型如式(1)、式(2)所示：

式中，iα、iβ为永磁同步电机定子绕组电流；uα、uβ为定子绕组电压；eα、eβ为定子绕组反电动势；rs、ls分别为定子绕组电阻与电感；为永磁体励磁磁链；ωe为转子电角速度；θe为转子电角度位置。

从式2可以得出，转子电角度位置与电角速度可以表示为下式(3)：

根据式(1)永磁同步电机的数学模型，构建转子位置估算坐标系中永磁同步电机的数学模型如式(4)所示：

式中，i′α、i′β为转子位置估算坐标系下永磁同步电机定子绕组电流；e′α、e′β为转子位置估算坐标系中定子绕组反电动势。

根据转子位置估算坐标系下永磁同步电机的数学模式，构建桨叶位置与速度估算模型如图1所示，图中，采样永磁同步电机实际运行过程中的定子绕组电压uα、uβ，通过式(4)计算出定子绕组估算电流i′α、i′β，估算电流与永磁同步电机定子绕组实际电流进行比较，其差值通过电流调节器调节输出估算反电动势e′α、e′β，经过滤波处理后通过式(3)计算出转子电角度位置θe与转子电角速度ωe。

采用桨叶位置与速度估算模型的变桨系统永磁同步电机控制系统如图2所示，图中，变桨电机采用位置控制模块、速度控制模块、转矩控制模块闭环控制，桨叶位置给定与桨叶实际位置作为位置控制模块的输入，该模块的输出加上给定的速度偏移量与桨叶实际速度作为速度控制模块的输入，速度控制模块的输出加上给定的转矩偏移量与电机实际转矩作为转矩控制模块的输入，转矩控制模块输出驱动机构控制指令，驱动机构按照该指令驱动变桨电机按照系统给定的位置与转速运行。其中，变桨电机控制过程中的实际位置与转速信号通过桨叶位置与速度估算模型进行估算，该模型通过实时采样变桨电机实际运行过程中的电压、电流信号来估算出电机的位置与转速信号，从而实现永磁同步电机的位置与速度闭环控制。

综上所述，相对于目前普遍采用的利用旋转变压器检测桨叶位置与变桨速度的方案，本方案具有以下优点：

1、采用旋转变压器检测桨叶位置与速度的方案，需要在电机本体上面安装旋转变压器并且旋转变压器信号需要通过电机与控制轴柜之间的专用电缆进行传输，因而存在安装、连接等可靠性问题。本方案采用变桨电机电压电流信号进行桨叶位置与速度估算的方法，不用安装额外的旋转变压器，因而不存在上述的安装、连接等可靠性问题。

2、采用旋转变压器检测桨叶位置与速度的方案需要在每个变桨电机上面安装旋转变压器，即一套变桨系统需要安装三个旋转变压器，本方案由于采用了桨叶位置速度估算的方法，因而不需要安装额外的旋转变压器，相对于采用旋转变压器检测桨叶位置与速度的方案可以省去三个旋转变压器以及相应解码电路的成本，这对于目前风电行业面对严峻的成本形势是十分有利的。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。