基于新型滑模觀測器的永磁直驅(qū)風(fēng)機控制

朱明東，黃科元，黃守道，郭 興

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082)

基于新型滑模觀測器的永磁直驅(qū)風(fēng)機控制

朱明東，黃科元，黃守道，郭 興

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082)

針對永磁同步電機高速運行的無傳感器控制，結(jié)合滑模觀測器對電機參數(shù)變化和測量具有很強魯棒性且響應(yīng)迅速的優(yōu)點，引入連續(xù)的飽和函數(shù)，設(shè)計了防高頻抖動的新型滑模觀測器，并詳細(xì)分析了基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制策略，建立了基于新型滑模觀測器的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的無速度傳感器矢量控制模型，并進行實驗驗證。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確估算風(fēng)機轉(zhuǎn)子的角度和位置信息，實現(xiàn)高性能的無傳感器矢量控制，而且能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無功功率的獨立調(diào)節(jié)，具有良好的動靜態(tài)性能。

滑模觀測器；飽和函數(shù)；永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機；矢量控制

大功率永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)是目前最具實用前景的風(fēng)電系統(tǒng)之一。與雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)相比，永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)具有發(fā)電效率高、可靠性高、省去了變速箱、運行及維護成本低以及更優(yōu)的低電壓穿越能力等優(yōu)點，因而成為研究熱點[1]。

高性能的永磁同步發(fā)電機(PMSG)矢量控制需要準(zhǔn)確的電機轉(zhuǎn)子角度和位置信息，傳統(tǒng)的方法是在轉(zhuǎn)子軸上安裝傳感器，但是這樣會降低系統(tǒng)的可靠性，提高系統(tǒng)成本。為解決機械傳感器給系統(tǒng)帶來的不便，無傳感器控制方法越來越受到人們的重視，應(yīng)用滑模觀測器進行速度估算就是其中一種[2-5]?；Ｓ^測器與控制對象的參數(shù)變化以及擾動無關(guān)，具有很強的魯棒性且響應(yīng)迅速，因此適合對風(fēng)速不穩(wěn)，發(fā)電不連續(xù)，且運行在環(huán)境惡劣的野外或者海上的風(fēng)電系統(tǒng)進行速度估算。

由于風(fēng)電系統(tǒng)具有一定的切入轉(zhuǎn)速，因此不需要進行無速度傳感器最難實現(xiàn)的初始定位和低速估算。但是傳統(tǒng)的滑模觀測器在本質(zhì)上是不連續(xù)的開關(guān)控制，會引起系統(tǒng)發(fā)生抖動，本文設(shè)計了一種新型滑模觀測器，采用連續(xù)的飽和函數(shù)代替不連續(xù)的開關(guān)函數(shù)，有效地抑制了滑模控制所產(chǎn)生的抖振現(xiàn)象[6-7]。結(jié)合永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的特點，本文建立了基于新型滑模觀測器的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)模型，實現(xiàn)了永磁風(fēng)力發(fā)電機的無速度傳感器控制。通過實驗進行驗證，證實了該控制策略的可行性和有效性。

圖1 永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機控制策略

永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括永磁同步發(fā)電機、機側(cè)變流器、穩(wěn)壓大電容、網(wǎng)側(cè)變流器以及LCL濾波裝置。

該系統(tǒng)變流器采用背靠背(back to back)雙脈寬調(diào)制結(jié)構(gòu)，與采用不可控整流的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)通過控制電機側(cè)變流器可減小發(fā)電機定子電流的諧波，減小電機損耗和轉(zhuǎn)矩脈動，并提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，而且能夠靈活實現(xiàn)發(fā)電機的起動和制動等功能。

轉(zhuǎn)矩方程為：

為了滿足變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的控制要求，發(fā)電機轉(zhuǎn)速必須快速響應(yīng)風(fēng)速的變化，實現(xiàn)風(fēng)能利用最大功率點的跟蹤，這就要求永磁同步發(fā)電機輸出功率的同時，還要具備良好的機械特性，因此，不論是凸極還是隱極發(fā)電機，=0控制下的永磁同步發(fā)電機都能夠很好地滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速控制性能的要求。在這種控制方式下，轉(zhuǎn)矩方程可以轉(zhuǎn)化為式(3)：

圖2 電機側(cè)變流器控制框圖

2 基于滑模觀測器的位置估測

2.1 滑模觀測器原理

滑模觀測器的實質(zhì)是狀態(tài)重構(gòu)，其原理是重新構(gòu)造一個系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)可直接測量的變量作為輸入信號，并使其輸出信號在一定條件下等于原系統(tǒng)的狀態(tài)。其原理框圖如圖3所示。

圖3 滑模觀測器原理框圖

傳統(tǒng)的滑模觀測器本質(zhì)上是在位置觀測時利用結(jié)構(gòu)變換開關(guān)，以很高的頻率來回切換，快速修正反電勢，使估算電流和實際電流相等，從而獲取電機的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速值。但由于本質(zhì)上是不連續(xù)的開關(guān)控制，當(dāng)系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，狀態(tài)變量進行高速滑模切換時就會存在高頻抖動。抖動是滑模控制系統(tǒng)的最大缺點，抖動的存在會降低控制系統(tǒng)的精度，影響控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，嚴(yán)重的還會影響到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[9-10]。為了消除滑模觀測器中的高頻抖動，永磁電機的最優(yōu)控制主要采用的是砰-砰綜合控制形式，在原來依據(jù)電機方程直接計算位置的基礎(chǔ)上增加了一個校正環(huán)節(jié)，快速修正參數(shù)變化和測量產(chǎn)生的誤差，最終達到穩(wěn)定點。

2.2 新型滑模觀測器設(shè)計

面貼式永磁同步電機在α-β坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為：

根據(jù)永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造滑模觀測器如式(6)：

根據(jù)圖4滑模的電壓矢量參考坐標(biāo)系計算可知，補償后的估算角公式應(yīng)為：

圖4 滑模的電壓矢量參考坐標(biāo)系

3 實驗驗證

為了驗證基于新型滑模觀測器的無速度傳感器方法在永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中的可行性，在永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)模擬平臺上進行了實驗驗證(圖5)。實驗以TMS320F2808作為主控芯片，永磁同步發(fā)電機為一臺7.5 kW，額定電壓380 V，額定電流17 A的4極電機。用一臺7.5 kW的直流電動機模擬風(fēng)機，電機的額定電樞電壓和額定電樞電流分別為440 V和19 A，額定轉(zhuǎn)速為2 980 r/min。雙PWM變流器分別連接電網(wǎng)和永磁同步發(fā)電機，直流母線電壓為650 V，逆變器每相額定輸出電流為15 A。模擬平臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6，模擬系統(tǒng)的實驗波形如圖7。

圖5 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬實驗平臺

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖7(a)可以看出，滑模觀測器估測出的角度非常準(zhǔn)確，相位無偏移。圖7(b)表示當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速從1 000 r/min降到500 r/min的動態(tài)過程中，滑模觀測器響應(yīng)迅速，估測出的轉(zhuǎn)速和角度準(zhǔn)確，基本無波動，具有很好的動態(tài)性能。

流以及網(wǎng)側(cè)電壓和電流，圖中電流的正弦度好，說明系統(tǒng)有良好的電流控制效果。

圖7 永磁直驅(qū)風(fēng)電模擬系統(tǒng)實驗波形

4 結(jié)論

為了獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子角度和位置信息，克服傳統(tǒng)滑模觀測器高頻抖動的缺陷，本文設(shè)計了一種新型滑模觀測器，增加了校正環(huán)節(jié)以快速修正參數(shù)變化和測量誤差，建立了基于新型滑模觀測器的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的無速度傳感器矢量控制模型。通過實驗結(jié)果可以看出：基于新型滑模觀測器的無速度傳感器控制方法估算的角度準(zhǔn)確，電流、電壓控制效果良好，響應(yīng)迅速；永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)性能良好。

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Research of control method of permanent magnet direct-drive wind generator based on new sliding mode observer

Combined with the advantage that sliding mode observer had a strong robustness to motor parameter variations and measurement, a new type of sliding mode observer was designed for sensorless control for high-speed operation of permanent magnet synchronous motor.To avoid the high-frequency jitter, continuous saturation function was introduced.And a strategy which based on rotor field oriented vector control was analyzed in detail,a new sliding mode observer-based sensorless vector control model for permanent magnet direct-drive wind generator was established.Finally,it conducted the experimental verification.The experimental results show that the control system is not only able to accurately estimate the rotor angle and position information of wind generator to achieve high performance sensorless vector control,but also capable of achieving active and reactive power adjusted independently,acquiring a good dynamic and static performance.

sliding mode observer;saturation function;permanent magnet direct-drive wind generator;vector control

TM315

A

1002-087 X(2016)03-0672-03

2015-08-26

國家自然科學(xué)基金(50907020)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金 (200805321038)；湖南省博士創(chuàng)新基金(CX2010B149)

朱明東(1989—)，男，河南省人，碩士生，主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電與電機控制。