摘要：直驅(qū)型風電機組具有能量轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、并網(wǎng)功率控制靈活等優(yōu)點，在風力發(fā)電領域具有非常廣闊的市場前景。電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角是直驅(qū)變流器控制策略中的重要參數(shù)。介紹了一種基于無位置傳感器控制技術(shù)的轉(zhuǎn)速和位置測量方法，該方法簡單、快速、動態(tài)響應好。闡述了直驅(qū)型風電變流器的拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略，以及無位置傳感器控制技術(shù)的測量原理和控制方法。通過Matlab／Simulink仿真和現(xiàn)場工程應用，驗證了該控制技術(shù)的有效性和可靠性。
關鍵詞：無位置傳感器；變流器；直驅(qū)；永磁同步電機

1 引言
    直驅(qū)型風電機組具有能量轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、并網(wǎng)功率控制靈活等優(yōu)點，在風力發(fā)電領域具有廣闊的市場前景。為實現(xiàn)直驅(qū)型風電機組高性能的閉環(huán)矢量控制，需獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和實時位置。通常采用成本合理、性能良好的無位置傳感器控制技術(shù)，通過檢測電機的電流、電壓等可測物理量進行位置和速度估算。
    無位置傳感器檢測方法包括：基于永磁同步電機(PMSM)基本電磁關系的方法、三相端電壓和電流計算、基于反電動勢或定子磁鏈估算、基于各種觀測器的估算方法。其中基于反電勢進行轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置估計的方法，具有簡單、快速和動態(tài)響應快的優(yōu)點。

2 直驅(qū)型風電機組控制概述
2．1 永磁同步電機數(shù)學模型
    這里采用基于矢量控制的控制策略，因此PMSM數(shù)學模型需在d，q坐標系下建立。圖1示出PMSM數(shù)學模型及其在d，q坐標下的矢量圖。ωT為電機機械角速度。

    由圖1可知。電壓方程為：
   
   
2．2 控制策略
    PMSM控制策略原理包括基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制和基于定子磁場定向的直接轉(zhuǎn)矩控制兩類，針對不同控制目標，兩類控制策略的實現(xiàn)方法不同。這里研究矢量控制，以id=0策略為例，將d軸電流分量控制為零，根據(jù)此控制思路可得最新的轉(zhuǎn)矩方程：Te=1．5pψfisq，可見，采用這種控制思路，電機轉(zhuǎn)矩大小只與q軸電流、主磁鏈成正比，故可采用轉(zhuǎn)矩外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制策略，其中轉(zhuǎn)矩外環(huán)采用開環(huán)控制模式，控制流程見圖2。

    在圖2中，忽略Rs的影響，ωeψf為q軸電壓前饋量，它能降低機側(cè)解鎖瞬間電流的沖擊，在控制過程中較關鍵。

3 無位置傳感器控制技術(shù)
3．1 檢測原理
    矢量控制中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置可通過電機反電勢的信號鎖相得到。但由于電機反電勢不能直接測量，僅能通過測量電機機端電壓推導電機反電勢，從而得到電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置。
    根據(jù)電機數(shù)學模型和d，q坐標變換，電機機端電壓與內(nèi)電勢間的角度關系如圖3所示。

    由于采用id=0控制策略，Esq對應內(nèi)電勢電壓在轉(zhuǎn)子位置角下的q軸，Esd=0。△θ為兩者之間的相位差。根據(jù)圖3可知：
    △θ=(usd+Rsisd-ωLsdisq)／(usq+Rsisq+ωLsqisd)            (5)
    當△θ=0時，此時得到的相位自動鎖到電機內(nèi)電勢的相位，從而滿足控制目的。
3．2 控制策略
    根據(jù)公式計算，通過采集電機機端三相電壓和三相電流，任意給定鎖相環(huán)，經(jīng)坐標變換得到d，q軸分量，再通過計算△θ值，利用PI控制原理，控制△θ=0，從而實現(xiàn)跟蹤電機內(nèi)電勢相位控制策略?？刂屏鞒炭驁D如圖4所示。

4 仿真研究
    為驗證控制算法的正確性，搭建Matlab／Simulink仿真模型，仿真模型包括PMSM和一個背靠背三相變流器。其中PMSM可直接得到轉(zhuǎn)子速度和實時位置，可將發(fā)電機內(nèi)部讀出的位置與基于無位置傳感器控制方法得到的位置進行比較，以驗證控制算法的準確性。系統(tǒng)仿真參數(shù)：直流電壓1 100 V，電機容量1 MW，電機電壓690 V，電機轉(zhuǎn)速18 r·min-1，電機極對數(shù)30，電機同步電抗Ld=1．9mH，Lq=3．22 mH。通過仿真，觀察轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速實測值與估計值間的差別。
    為驗證轉(zhuǎn)子位置估計值的準確性，系統(tǒng)在1 s前控制算法采用的轉(zhuǎn)子位置為電機實測值投入，1s后切換到估計值，觀察切換瞬間對控制過程的沖擊，得到的仿真波形如圖5所示。

    由圖5a可見，電機轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速估計值均能很快跟蹤到實測值，誤差很小，能取代實測值。由圖5b可見，在1 s前，控制策略采用實測值，機端電壓和電流較穩(wěn)定；1 s后切換到估計值，電壓和電流切換較穩(wěn)定，未出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，進一步驗證了估計值能很好地跟蹤實測值。

5 現(xiàn)場應用
    根據(jù)實際運行工況，電機轉(zhuǎn)速17 r·min-1，機側(cè)傳遞功率1．09 MW，觀察機側(cè)變流器運行狀態(tài)，實驗波形如圖6所示。

    由圖6a可見，轉(zhuǎn)子電流(反向)與轉(zhuǎn)子位置角對齊，真實反映電機內(nèi)電勢的相位。由圖6b可見，機側(cè)變流器傳輸功率為1．09 MW，運行平穩(wěn)，機端功率因數(shù)正常。

6 結(jié)論
    針對直驅(qū)風電機組廣闊的市場前景，提出一種基于機端內(nèi)電勢檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置的無位置傳感器控制方法。重點介紹了該方法的實現(xiàn)原理和控制策略，并在Matlab／Simulink仿真環(huán)境下搭建模型，驗證了該方法的有效性，并將其運用到實際工程中，效果顯著，具有很好的工程應用價值。
    實踐證明，該方法在風機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，應用效果明顯，控制精度滿足要求，是無位置傳感器控制技術(shù)研究的重要方向。