（电力电子与电力传动专业论文）风力发电机控制中的参数辨识技术.pdf

t e c h n o l o g yo fp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o nf o rw i n d d r i v e n g e n e r a t o rc o n t r 0 1 a bs t r a c t g e n e r a t o rc o n t r o li sv e r yi m p t o r t a n tp a r tf o rw i n dp o w e rg e n e r a t i o n a l lk i n d o fc o n t r 0 1 a l g o r i t h m f o rw i n d d r i v e ng e n e r a t o ra r ed e p e n d e d o na c c u r a t e p a r a m e t e r so fm o t o ra ts o m ed e g r e e t h ei d e n t i f i c a t i o no fm o t o rp a r a m e t e r si so f g r e a ti m p o r t a n c ef o rah i g h p e r f o r m a n c ea cd r i v e ，s u c ha s as e n s o r l e s sv e c t o r c o n t r o l l e da cd r i v e v e c t o rc o n t r o li sa l s oc a l l e df i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，i ti sb a s e d o nt h ep e r s i s t e n c eo fr o t o rf l u x ，r e a l i z i n gt h ed e c o u p l i n go ft h et o r q u ec u r r e n ta n d m a g n e t i s mc u r r e n ti naw a y o ff i e l do r i e n t a t i o n s ot h es t i c k i n gp o i n to ft h ev e c t o r c o n t r o l l e dt e c h n o l o g yi st h ef i e l do r i e n t a t i o n ，a n dt h ep r e c i s i o no fm o t o rp a r a m e t e r d e t e r m i n et h ep r e c i s i o no ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m w h e nav e c t o rc o n t r o ls y s t e m i sa p p l i e dt oa nu n k n o w nm o t o r ，t h ep a r a m e t e r sa r eh o p e dt ob ea v a i l a b l eb e f o r et h e s y s t e mr u nn a t u r a l l y t h em o t o r sp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nm o t o rc o n t r 0 1 i ti sb o t hat h e o r e t i ca n dap r a c t i c a lp r o j e c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ep a r a m e t e r s e s t i m a t i o no fa s y n c h r o n o u sm o t o ra n dap e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r 。 f i r s to fa l l ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ec o u r s eo fh i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o ls t r a t e g y f o ra cm o t o r t h e n ，t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep a r a m e t e r so ft h ea cm o t o ra r e d e s c r i b e d t h es t a t i ca n dd y n a m i cc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fa cm o t o ra r ea f f e c t e db y t h ec h a n g eo fp a r a m e t e r s a n dt h e n ，s o m ec o m m o ni d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sa r e a n a l y z e d ，s u c ha s ，m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ea l g o r i t h m ，l e a s t s q u a r e sa l g o r i t h m ， k a l m a nf i l t e ra l g o r i t h m i no r d e rt or e s t r a i nt h eb l i g h to fp a r a m e t e r sc h a n g i n go nv e c t o rc o n t r o l s y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o r ，r e c u r s i v el e a s ts q u a r e i su s e df o ro n l i n em o t o r p a r a m e t e r se s t i m a t i o n f i r s t l y , t h ep r i n c i p l e o fp a r a m e t e r se s t i m a t i o nu s i n g r e c u r s i v el e a s ts q u a r ei se x p a t i a t e d c o m b i n i n gt h i sm e t h o dw i t hv e c t o rc o n t r o l s y s t e m ，av e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o ru s i n g v a r i a b l es p e e d p a r a m e t e r se s t i m a t i o ni sp r e s e n t e d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do nb y m a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ep a r a m e t e re s t i m a t i o n a l g o r i t h m i se f f e c t i v ea n dt h ep e r f o r m a n c eo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo f a s y n c h r o n o u sm o t o ri si m p r o v e dp r o p e r l y o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep m s m ，c o m b i n et h i s m e t h o dw i t hp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o no fp m s m t h ep r e s e n t e di d e n t i f i c a t i o n t e c h n i q u e ，b a s e dl e a s t s q u a r e s ，r e v e a l si t s e l fs u i t a b l et ob ea p p l i e dt op m s m t h e e s t i m a t i o ni sb a s e do nas t a n d a r dm o d e lo fp m s m e x p r e s s e di nr o t o rc o o r d i n a t e s t h em e t h o di ss u i t a b l ef o ro n l i n eo p e r a t i o nt o c o n t i n u o u s l yu p d a t et h ep a r a m e t e r v a l u e s t h ed e v e l o p e da l g o r i t h mi ss i m u l a t e di nm a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o n r e s u l t sa r ep r e s e n t e d ，a n da c c u r a t ep a r a m e t e r sf o rp m s mi sp r o v i d e d a tl a s t ，t h ed e s i g ns c h e m eo fp a r a m e t e rm e a s u r e m e n te x p e r i m e n ti sa n a l y z e d c o m p l e t e l y t h ed e s i g no fh a r d w a r eo fs y s t e mb a s e do i lt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i s i n t r o d u c e d t h ed e s i g no fe x p e r i m e n ts o r w a r ei si n t r o d u c e d t h eh a r d w a r e s c h e m a t i c sa n ds o f t w a r ef l o w c h a r ta r ep r e s e n t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e g i v e ni n t h i sp a p e r t h er e s u l t si n d i c a t et h a tm e t h o do fp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t h a v eb e t t e rp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ，a s y n c h r o n o u sm o t o r ；p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ；p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ；l e a s t s q u a r e s ；v e c t o r c o n t r o ls y s t e m i i 插图清单 图l l 转差型矢量控制系统原理图2 图1 2 转子电阻误差的影响分析。4 图l 一3 电磁转矩关系当x 1 6 图1 4 电磁转矩关系当x 1 6 图2 1 频域辨识框图及流程图1 l 图2 2 模型参考自适应辨识框图1 4 图4 1 两相静止一旋转变换示意图2 2 图4 2 基于最小二乘法的异步电机参数辨识2 8 图4 1 矢量控制过程框图2 8 图4 4s p w m 功能模块3 0 图4 5 异步电机矢量控制系统仿真模型3 l 图4 ，6 基于参数辨识的矢量控制系统原理框图3 1 图4 7 电机参数辨识结果3 2 图4 8 未采用了参数辨识的系统响应图3 3 图4 9 采用了参数辨识的系统响应图3 3 图5 1 永磁同步电机电磁关系示意图3 4 图5 2 定、转子位置关系3 5 图5 3 基于最小二乘法参数辨识的系统原理3 7 图5 4 电机参数辨识结果。3 8 图6 1 实验系统的硬件构成图4 0 图6 2 电机定子电压采样电路原理图4 2 图6 3 交流电流采样电路原理图4 2 图6 4 光电编码器接口电路4 3 图6 5d s p 控制器的基本结构4 4 图6 6c a n 总线接口电路4 5 图6 7 _ 丰程序流程图4 8 图6 8 中断服务程序流程图4 9 图6 9 转速及转子角度程序流程图5 0 图6 1 0 电流检测的采样处理过程5 1 图6 1 1 实验系统控制电路5 2 图6 1 2 实验电机平台5 2 图6 13 转子时间参数和定子电感的辨识结果5 3 图6 1 4 转子时间参数和漏磁系数的辨识结果5 3 v l 表格清单 表4 1 异步电机仿真参数3 2 表5 1 永磁同步电机仿真参数3 7 表6 1 最小二乘法异步电机参数辨识结果5 3 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金旦曼王些厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：王：坞j 、签字日期：。c ) 年9 月姆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥墅王些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权业 工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：工l 呜山 签字日期：矽) 年午月膀日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 。 年9 月心日 致谢 在硕士生活即将结束、硕士毕业论文即将完成之际，衷心地感谢我的导师 张兴教授。在两年多的硕士研究生学习和课题研究过程中，自始至终得到了张 老师无微不至的关怀和悉心指导。导师严谨的科研态度，广博的理论知识，丰 富的实践经验，务实的工作作风使我受益匪浅。他的精心指导，不但使学生的 知识水平和科研能力有了很大的提高，更重要的是让学生的思维方式和科研方 法得到了很好的培养。导师在学术上谆谆教导，以及对生活上的悉心关怀，都 将使我终身难忘。在此，谨向张老师表示由衷的感谢和诚挚的敬意。 同时还要感谢师兄谢震博士、杨淑英博士，师姐刘芳等对我的无私的帮助 和指导，在此表示深深的谢意。 此外还要感谢实验室一起学习工作的同窗好友们，他们是：田新全、邵文 昌、王江、张龙云、王成悦、汪永智、陈玲、纪明伟、曹伟、孙龙林、孙荣丙 等，在共同的工作、学习和娱乐生活中，我们大家相互了解、相互帮助、相互 进步。和他们在一起，我愉快地度过了紧张而又难忘的研究生生活。感谢所有 给予我理解、关心、支持和帮助的老师、朋友! 最后，我要感谢默默支持我的父母、大姐、二姐，他们对我深深的爱是我 不断进步的源泉，在此我要向他们表示深深的敬意和真心的祝福! i i i 作者：王鸿山 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 论文的研究背景心3 - e 1 8 1 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。近5 年来， 世界风能市场每年都以4 0 的速度增长。中国风电行业发展比较迅速，但与国 际风电行业的发展水平还有很大差距，国内的风电设备主要依靠进口，对外依 赖性强，因此研究开发具有自丰知识产权的风电设备与关键技术已成当务之急。 而风力发电系统中对发电机控制是比较重要的环节。7 0 年代初提出的矢量控制 理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相 系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换，实现了定子电流励磁分量与转 矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。这 样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，从而获得了与直流 调速系统同样优良的静、动态性能【2 3 1 。在对电机做坐标变换之前，首先要进行 转子磁场定向，否则就不能将转矩电流和励磁电流在同步坐标系下分离出来， 即解耦，所谓转子磁场定向( 简称磁场定向) 就是获得转子磁通矢量的瞬时空间 位置从而把同步旋转坐标系的d 轴设置在该方向上，转子磁场定向有两种方式 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 , 2 8 , 2 9 , 3 0 】：直接磁场定向( d f o ，d i r e c tf i e l do r i e n t a t i o n ) 和间接磁场定向 ( i f o ，i n d i r e c tf i e l do r i e n t a t i o n ) ，前者通过直接对转子磁通进行检测或观测来获 得转子磁通矢量的瞬时空间位置，将异步电动机的定子电流空间矢量分解为转 子励磁分量和转矩分量分别进行控制。后者则基于磁链瞬时位置与转子转速、 滑差频率的关系，通过估算转速和计算滑差频率来间接地获知这个位置。根据 磁场定向的不同方式，矢量控制也分成两大类：d f o 矢量控制和i f o 矢量控制 ( 又称滑差频率矢量控制) 。8 0 年代中期提出的一种转矩控制方法称为直接转矩 控制【4 孓5 0 】，其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方 法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型p w m 逆变器的开关状 态进行直接控制转矩。因此，无须对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复 杂计算，控制结构简单，便于实现数字化，目前正受到各国学者广泛重视。近 十多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、 电流等容易测量的物理量进行速度估算以取代速度传感器，其关键在于在线获 取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制要求。速度估算的方 法，除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应 法和扩展卡尔曼滤波法。无速度传感器控制技术 3 2 , 3 3 , 3 4 】不需要检测硬件，也免 去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统可靠性，降低了 成本，因而引起了各国学者广泛兴趣。 前面提到了转差型矢量控制系统，由于系统不需要安装磁通检测元件，并 且在低速范围内它也能正常工作所以矢量控制被广泛采用。图1 1 是一个转差型 矢量控制系统。 西： c o 图1 1 转差型矢量控制系统原理图 两次坐标变换用到的转子转速和转差频率q ，分别由速度估算器和转差 频率计算器( q ：争生。) 提供。在转差型矢量控制中，转差频率的计算是磁场 l ， 定向的关键，它的准确与否关系到矢量控制的成败。然而，由于间接磁场定向 在本质上是一种前馈式的开环解耦方式，这种矢量控制必定对控制对象( 即感应 电机) 的参数敏感。从计算滑差频率公式： q ：警。 q 。苈啊 也可以看出，如果转差频率计算所使用的参数与电机的真实参数不匹配，那么 定转子之间的转差频率就不是使定子电流解耦的那个转差频率，定子电流就不 能解耦了。这种敏感性表现在两个方面：一、电机参数如果测得不准确，系统 的性能会受到影响；二、参数在系统运行期间发生波动与变化也会对整个系统 的性能有影响。显然，第一种影响容易消除，而第二种影响却很难，除非控制 器能在系统运行时即时地跟踪工况的不同而变化的电机参数。 1 2电机参数变化的因素 交流电机等效电路的参数在实际运行中并不是恒定不变的，它将随着运行 条件的变化而变化。出现在电机的d q 轴动态数学模型( 又称p a r k 方程) 中的电机 参数有：定子电阻足，定子电感。，转子电阻r ，转子电感，和定、转子之间的 互感。需要说明的是，这些参数都是在p a r k 方程中联结各个变量( 例如定子 d ，q 轴电流和电压，转子d ，q 轴电流和电压) 的等效参量。在电机运行时，以下 几种因素将导致电机参数的变化。 2 1 2 1 温度变化因素 电机定转子电阻随运行温度按下式变化，兄= 警兄，式中兄为乞温度 3 3 十 下的电阻；r 为厶温度下的电阻。在矢量控制中当电机温度升高时，转子电阻 发牛变化，转子电阻实际值与控制器的估算值不一致时，将对矢量控制的转差 频率她产牛误差影响，不能正确推算转子磁链的位置，使磁通控制性能恶化， 同时也会产生转矩控制误差，因此在运行中必须考虑到温度的影响。 1 2 2频率变化因素 在矢量控制时电机是通过改变电源频率实现调速，为改善异步电机起动特 性，转子往往会采用一些特殊槽形。由于集肤效应，随着转子频率与电流量的 分布变化，使转子电路的参数也将会发生变化，转子电路中的电阻与电抗随频 率变化而变化，频率增大，其电阻将大幅度增大，而电抗将大幅度减少。因此 等效电路参数从短路试验测得的电感要考虑到集肤效应，要想获得精确测量， 应该把测量频率调节到实际运行时的频率下进行。 1 2 3饱和因素 励磁电抗是由于气隙长度与铁心磁饱和程度来决定的，在一定的输出范围 内，当- 丰磁通减少磁饱和程度降低时，励磁电抗将会增大，转子电阻与转子漏 抗也会受磁饱和程度的影响。当负载电流流过转子导体，转子铁心发生磁饱和 时，由于漏磁通的作用同样会产生集肤效应，使转子电阻增大，漏抗下降。 1 2 4 杂散损耗因素 要达到高精度转矩控制，杂散损耗也不能忽视。一般杂散损耗约为额定输 出的0 5 ，但是当l5 0 过载运行时，杂散损耗将上升为额定输出的1 0 ，这就 必须考虑修正电机的等效电路。 1 3电机参数变化对控制性能的影晌 如果在运行期间电机的参数发生了变化，而转差矢量控制器中的相应参数 ( 主要是转子电阻尺，和转子电感厶) 未能更新一这种现象称为“失调 ( d e t u n i n g ) ，那么磁通和转矩之间的解耦将会失败，整个控制系统的稳态和动 态性能将会降低，并且电机的功率损耗也会增加。 1 3 1 电机参数误差造成的失调的稳态影响 在木小节，首先分析稳态情况下，转子电阻误差对于转子磁通的影响。考 虑到有速度传感器的情况下，控制器中转差角频率应该等于电机实际的转差角 频率。因此有： 丝：生 y ：己 ( 1 2 ) 从上面的公式，可以发现，转子磁通幅值的实际值与指令值的比与励磁电 感成正比，与转子时间常数成反比。为了研究该比值与转子电阻的关系，我们 假定励磁电感与转子电感不变，并且等于控制器中的设定值。这样上式可以简 3 化为下面的式子： 丝： y ， ( 1 - 3 ) 其中，a = 碍r , 。 所以，在稳态情况下，当假定乙= c ，= 时，实际转子磁通与给定转 子磁通之比与转子电阻有如下简单的关系： ( 1 ) 当实际转子电阻大于设定转子电阻，也即a l ，实际转子磁通小于给定值。 可以进一步分析如下，假定初始情况下控制器中设定的转子电阻小于实际 值，则计算得到的转差角频率刚开始时会小于实际转差角频率，因此估计的转 子磁通将比实际转子磁通运行的慢，但是这种情况不会维持下去。由于实际转 子磁通运行在估计转子磁通的前面，两者之前会拉开一定的角度，这样控制器 中的转矩电流将会在实际转子磁通所在的轴上产生一个分量，目前情况下，这 个分量是与实际转子磁通同一个方向的，因而将增加实际的励磁电流，使得实 际转子磁通增大，如图1 2 a 所示。 ( 口) 足 r r ( 6 ) 母 o m ， c 互 0 ，它们是需要辨识的参数。 让我们选择一个参考模型，其传递函数为： m 0 ) ：r m ( s ) ：土(