1、http:/- 1 -中国科技论文在线永磁同步风力发电机自适应滑模观测器设计 刘彬，曲延滨 *作者简介：刘彬（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向：风力发电系统控制技术通信联系人：曲延滨（1961-），男，教授，主要研究方向：控制理论与应用、风力发电、光伏发电、电力电子与电力传动. E-mail: 5（哈尔滨工业大学（威海）信息与电气工程学院，威海 264209）摘要：为了实现直驱永磁风力发电机的无传感器控制，提出了一种自适应滑模观测器控制方法。首先分析了直驱永磁风力发电机的无传感器控制原理，根据永磁同步发电机的数学模型，构建了滑模观测器方程，综合考虑滑模观测器的稳定条件和观测精度，建立
2、了跟随参考转速变化的开关增益自适应规律，采用改进型饱和函数代替符号函数削弱传统滑模观10测器的抖振强度，构建了反电势和电角速度的自适应方程，采用李雅普诺夫函数证明了其稳定性。仿真结果表明所提出的自适应滑模观测器，可以准确的估计出转子转速和位置，并且对发电机参数变化具有较强的鲁棒性。关键词：电力电子与电力传动；永磁同步发电机；无传感器控制；滑模观测器；自适应规律15 中图分类号：TM315Design of Adaptive Sliding Mode Observer for Permanent Magnet Synchronous Wind Driven GeneratorLIU Bin, Q
3、U Yanbin20 (School of Information and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209)Abstract: In order to realize sensorless control of direct-driven permanent magnet synchronous generator,a kind of adaptive sliding mode observer control method was presented. First
4、the sensorless control principle of direct-driven permanent magnet generator was analyzed.Based on 25 the mathematical model of the permanent magnet generator, the sliding mode observer equation was constructed.Considering the stability condition and the observation accuracy of sliding mode observer
5、, the adaptive law of switch gain following the change of reference speed was set up . A modified saturation function instead of traditional symbol function was used to weaken the chattering strength of sliding mode observer . The adaptive law of back electromotive force and 30 rotate speed was desi
6、gned , its stability was proved by lyapunov function. The simulation results show that the proposed adaptive sliding mode observer can accurate estimate the speed and position of rotor and has strong robustness against the change of generator parameters .Key words: power electronics and power drives
7、; permanent magnet synchronous generator; sensorless control; sliding mode observer; adaptive law350 引言直驱永磁风力发电系统不需要齿轮箱，系统结构简单、故障率低、维护成本低、对电网异常情况适应能力强，是目前风力发电的主要应用形式之一 1。在永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）的矢量控制系40 统中，通常需要光电编码器来获得转子的位置和转速，但随之会带来环境适应性不强，系统成本增加等问题，因而 PMSG 的无传感器控制方法成为研
8、究热点 2-5。目前已经提出了多种无传感器控制方法：直接计算方法利用基本的电磁关系估算转速和位置，计算简单，动http:/- 2 -中国科技论文在线态响应快，但它对电机参数的准确性要求高；基于反电势法依赖于电机的基波方程，算法简单，但是低速时估算效果差 6；扩展卡尔曼滤波法具有优化和自适应能力，但算法复杂，45 工程实现困难 7；高频注入法能解决低速时转子位置和转速估算不准的问题，但它要求电机有一定的凸极 8；滑模观测器基于变结构控制理论，对系统数学模型要求不高，对系统参数变化、外界扰动具有较强的鲁棒性 9-10。本文根据表面式永磁同步发电机的数学模型，提出了一种自适应滑模观测器来实现永磁同步
9、发电机的无传感器矢量控制。在分析传统滑模观测器的基础上，提出开关增益自适50 应规律，采用改进型饱和函数代替符号函数，构建反电势和电角速度自适应方程，该方法估计误差小，鲁棒性强。1 PMSG 的无传感器矢量控制策略在两相旋转 dq 坐标系下，表面式永磁同步发电机的数学模型为： (1)ddsdqqqsfiuLRLiti55 式中， ， 为定子电压 dq 轴分量； ， 为定子电流 dq 轴分量； ， 为定子duq dq dLq绕组的 dq 轴电感； 为定子电阻； 为发电机极对数； 为转子电角速度。sRpPMSG 的无传感器控制策略为：实际的转子位置和转速由滑模观测器得到，采用转速外环，电流内环的双
10、闭环结构，其控制框图如图 1 所示，外环参考电角速度由最大功率追踪算法求得，参考电角速度与估计电角速度偏差经 PI 调节之后得到 q 轴参考电流，即：60 (2)*()(iqpKiS由发电机的数学模型可得 dq 轴参考电压为：(3)*()(idpdiqquKS为了实现对 dq 轴电压解耦控制需要同时加上他们的前馈补偿项，即：(4)*ddqqfuLi65P M S GV*qi*duqLiqdfidiS M OSVPWMP I P IP IM P P Thttp:/- 3 -中国科技论文在线图 1 PMSG 的无传感器矢量控制原理图Fig.1 Schematic diagram of sensor
11、less vector control of PMSG2 自适应滑模观测器根据 PMSG 的电压方程和滑模控制理论构建滑模观测器方程为：70(5)1sgn()sssssRdikiuitLiiit式中，符号“ ”代表观测值， 为滑模观测器开关增益，滑模超平面选择为：k(6)_()ssSxii根据滑模控制理论的渐进稳定性条件，要使观测误差动态方程是稳定的，即应有：(7)0T75 经推导得到使观测误差方程渐进稳定的 值范围为：k(8)max(,)e为满足上述条件，开关增益 必须足够大，但是在增大 的同时会增加抖振，影响观k测精度，这里设计如下的自适应规律：80 (9)*fk是使系统实现最大功率追踪的
12、转速外环参考电角速度， 为永磁体磁链， 为* f 适当选择的正数，这里取 值为 4， 值随着给定参考电角速度的变化而变化。本文采用改进型饱和函数代替符号函数来削弱传统滑模观测器中抖振强度，其函数曲线如图 2 所示，其表达式为：85 (10)sgn(),()0,latsl1- 10ls()atl图 2 改进型饱和函数曲线Fig.2 Diagram of the improved saturation function可以通过适当的选择 、 的数值来削弱抖振,，这里选取 、 的值分别为：ll90 0.1、0.01。http:/- 4 -中国科技论文在线采用等效控制法来估计反电势，得到的反电势中含有
13、谐波，采用一阶滤波器滤除其中的高频噪声，因而有：(11)_sgn()*cceki为一阶滤波器的截止频率。为了进一步滤除感应电动势中的谐波和得到更精确的转c95 速估计值，反电势和电角速度采用如下的自适应规律：(12)_()deetdet其中， ， 为滤波器输出的反电势， ， 为自适应规律估计出的反电势，e e， 为反电势估计误差， 为适当选择的正数，这里选择 为 1000。_e为了证明上述自适应规律的收敛性，根据李雅普诺夫理论，选择李雅普诺夫函数为：100 (13)22_eV要使自适应规律收敛，须有 ，由式(12)、(13)可推导得到： 0(14)2_()0e因而自适应条件是稳定的，估算的转子
14、位置为：(15)arctn()105 自适应滑模观测器的结构图如图 3 所示，滑模观测器估计出的电流与实际值之差，通过饱和函数和开关增益的调节得到含有大量高频噪声的反电势，通过低通滤波器的滤波得到估计的反电势，再进一步利用反电势和电角速度的自适应规律，得到准确的转子转速和位置。http:/- 5 -中国科技论文在线滑模观测器iiu电流方程*fk低通滤波器e自适应规律110 图 3 自适应滑模观测器结构原理图Fig.3 Schematic diagram of adaptive sliding mode observer3 仿真分析3.1 自适应滑模观测器的仿真分析在 MATLAB/Simuli
15、nk 中搭建了永磁同步风力发电机的无传感器控制仿真平台，风力115 机参数如下：额定功率 1.3MW；额定风速 13.5m/s；额定转速 3.5rad/s；半径 30m；总的机组转动惯量为 J=245000 ；发电机参数如下： =1.3MW； =690V； =50Hz；2kgm NPNUNf=0.006 ； = =2.56mH；p=28； =5.4388wb。在给定风速为 6m/s 情况下对系统sRdLq f进行了仿真分析，得到的估计转子电角速度和实际电角速度结果如图 4 所示，对比发现，在初始时刻电角速度估计偏差较大，0.2s 以后估计电角速度就能跟踪上实际电角速度，电120 角速度估计误差
16、如图 5 所示，0 到 0.2s 电角速度偏差较大，但是逐步缩小，0.2s 以后电角速度偏差在 0.05rad/s 以内，转子估计位置和实际位置如图 6 所示，对比发现初始时刻转子位置偏差较大，0.03s 以后估计位置很快就能跟踪上实际转子位置，转子位置误差如图 7 所示，0.03 秒以后位置误差在 0.05rad 以内。可以看出，提出的自适应滑模观测器转子转速和位置估计误差较小，能实现转子转速和位置的跟踪。1250 0.2 0.4 0.6 0.8 124262830323436估估/s估估估估(rad/s) 估估估估估估估估图 4 实际转子电角速度和估计转子电角速度Fig.4 Output
17、actual and estimated electricity angular velocity of rotorhttp:/- 6 -中国科技论文在线0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-7-6-5-4-3-2-101估估/s估估估估估估图 5 转子电角速度估计误差130 Fig. 5 Output estimated error of electricity angular velocity of rotor0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-2-1.5-1-0.500.511.52估估/s估估估估/rad估估估估估估估估图 6 实际转子位置和估计转子位置Fig.
18、6 Output actual and estimated position of rotor0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1-0.500.511.522.533.5估估/s估估估估估估135 图 7 转子位置估计误差Fig.7 Output estimated error of position of rotor3.2 自适应滑模观测器的鲁棒性仿真分析发电机在实际运行过程中，定子电阻和电感值会发生变化。在电阻和电感值发生变化http:/- 7 -中国科技论文在线情况下，对永磁风力发电系统的无传感器控制效果进行了仿真研究。发电机的电阻、电感140 参数分别在原值基础上增加 25%时的
19、转子电角速度和位置误差曲线分别为图 8 和图 9 所示，此时 0 到 0.2s 转子电角速度估计误差较大，0. 2s 以后转子电角速度误差在 0.1rad/s 以内、转子位置误差在 0 到 0.1s 之间误差较大，0.1s 以后在 0.05rad 以内。发电机的电阻、电感参数分别在原值基础上增加 50%时的转子电角速度和位置误差曲线分别为图 10 和图 11 所示，此时 0 到 0.2s 转子电角速度估计误差较大，0. 2s 以后转子电角速度误差在 0.1rad/s 以内，145 转子位置误差在 0 到 0.1s 之间误差较大，0.1s 以后在 0.13rad 以内。可以看出在发电机参数变化的
20、情况下，滑模观测器的性能没有明显改变，观测误差较小。0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-60-50-40-30-20-10010估估/s估估估估估估图 8 转子电角速度估计误差Fig. 8 Output estimated error of electricity angular velocity of rotor1500 0.2 0.4 0.6 0.8 1-4-3-2-1012估估/s估估估估估估图 9 转子位置估计误差Fig.9 Output estimated error of position of rotorhttp:/- 8 -中国科技论文在线0 0.2 0.4 0.6 0.8
21、 1-100-80-60-40-20020估估/s估估估估估估图 10 转子电角速度估计误差155 Fig. 10 Output estimated error of electricity angular velocity of rotor0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.51估估/s估估估估估估图 11 转子位置估计误差Fig.11 Output estimated error of position of rotor4 结论160 本文设计了一种自适应滑模观测器，实现了直驱永磁风力发电系统的无传感器控制，设计了开关增益和转速的自适应规
22、律，采用改进型饱和函数削弱了系统抖振强度，仿真结果表明所设计的自适应观测器能实现转子位置和转速的准确跟踪，并对发电机参数变化具有较强的鲁棒性。参考文献 (References)165 1 赵仁德，王水军，张加胜. 直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制J. 中国电机工程学报，2009，29（27）：106-111.2 胡书举，王剑飞，赵栋利等. 无速度传感器控制永磁直驱风电变流器的研制J. 电机与控制学报，2009，13（1）：67-72.3 余浩赞，王辉，黄守道.基于无速度传感器直驱风力发电运行控制研究 J. 微特电机 2009，1：50-54.170 4 陈明亮，肖飞，王颢雄等. 直驱
23、型永磁同步风力发电机无传感器控制J. 电机与控制学报，2009，1（6）：792-797.5 王颢雄，肖飞，马伟明等. 基于滑模观测器与 SPLL 的 PMSG 无传感器控制J. 电机与控制学报，2011，15（1）：50-54.6 梁艳，李永东. 无传感器永磁同步电机矢量控制系统概述J. 电气传动，2003，4：4-6.175 7 张猛，肖曦，李永东. 基于扩展卡尔曼滤波器的永磁同步电机转速和磁链观测器J. 中国电机工程学报，2007，27（36）：36-40.http:/- 9 -中国科技论文在线8 贾洪平，贺益康. 基于高频注入法的永磁同步电动机转子初始位置检测研究J. 中国电机工程学报，2005，27（15）：15-20.9 尚喆，赵荣祥，窦汝振. 基于自适应滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制研究J. 中国电机180 工程学报，2007，27（3）：23-27.10 王丰尧.滑模变结构控制M. 北京：机械工业出版社，1995.
