无位置传感器控制技术在直驱变流器中的应用

摘要：直驱型风电机组具有能量转换效率高、可靠性高、并网功率控制灵活等优点，在风力发电领域具有非常广阔的市场前景。电机的转速和转子位置角是直驱变流器控制策略中的重要参数。介绍了一种基于无位置传感器控制技术的转速和位置测量方法，该方法简单、快速、动态响应好。阐述了直驱型风电变流器的拓扑结构和控制策略，以及无位置传感器控制技术的测量原理和控制方法。通过Matlab／Simulink仿真和现场工程应用，验证了该控制技术的有效性和可靠性。
关键词：无位置传感器；变流器；直驱；永磁同步电机

1 引言
直驱型风电机组具有能量转换效率高、可靠性高、并网功率控制灵活等优点，在风力发电领域具有广阔的市场前景。为实现直驱型风电机组高性能的闭环矢量控制，需获得转子转速和实时位置。通常采用成本合理、性能良好的无位置传感器控制技术，通过检测电机的电流、电压等可测物理量进行位置和速度估算。
无位置传感器检测方法包括：基于永磁同步电机(PMSM)基本电磁关系的方法、三相端电压和电流计算、基于反电动势或定子磁链估算、基于各种观测器的估算方法。其中基于反电势进行转子的转速和位置估计的方法，具有简单、快速和动态响应快的优点。

2 直驱型风电机组控制概述
2．1 永磁同步电机数学模型
这里采用基于矢量控制的控制策略，因此PMSM数学模型需在d，q坐标系下建立。图1示出PMSM数学模型及其在d，q坐标下的矢量图。ωT为电机机械角速度。

2．2 控制策略
PMSM控制策略原理包括基于转子磁场定向的矢量控制和基于定子磁场定向的直接转矩控制两类，针对不同控制目标，两类控制策略的实现方法不同。这里研究矢量控制，以id=0策略为例，将d轴电流分量控制为零，根据此控制思路可得最新的转矩方程：Te=1．5pψfisq，可见，采用这种控制思路，电机转矩大小只与q轴电流、主磁链成正比，故可采用转矩外环和电流内环控制策略，其中转矩外环采用开环控制模式，控制流程见图2。

在图2中，忽略Rs的影响，ωeψf为q轴电压前馈量，它能降低机侧解锁瞬间电流的冲击，在控制过程中较关键。