一種抽水蓄能機組靜止變頻起動轉子位置估計方法與流程

本發明涉及一種電機轉子位置的估計方法。
背景技術：
：抽水蓄能電站具有調峰、填谷、調頻、調相及事故備用功能，是一種大電網運行控制中非常重要的儲能方式。抽水蓄能電站中使用的發電/電動機是一種既可作發電機又可作電動機的可逆式三相凸極同步電機，其水泵工況下的起動方式是抽水蓄能電站電氣設計時考慮的最重要問題之一。隨著現代電力電子技術的快速發展和日益成熟，通過靜止變頻器(StaticFrequencyConvertor，SFC)來起動抽水蓄能機組的方式逐漸占據了主導地位。在抽水蓄能SFC的關鍵技術之中，轉子位置檢測一直是可靠性最薄弱的環節。實用的技術手段仍然是采用機械位置傳感器來檢測轉子位置，而這類傳感器如光電編碼器，屬于精密儀器，抗振動能力差，使SFC設備在起動時可能出現換相失敗的風險。降低了SFC系統的可靠性。常見的應用在高端抽水蓄能無傳感器SFC設備中的方法則是通過電機轉矩方程和預先獲取的負載特性以計算轉子的位置，這一方法依賴于電機轉矩方程的精確度，一旦負載轉矩在起動時發生了變化或是受到了外界擾動，則角加速度的誤差就會在積分運算中累加直至發生換相錯誤。近年來，永磁同步電機的無位置傳感器控制技術得到了快速的發展，涌現出了許多基于現代控制理論以及微處理器的控制方法，如狀態觀測器估計方法等。然而這些方法大多適用于采用電壓源型逆變器的控制電路，而大型抽水蓄能機大多組采用基于晶閘管的電流源型變換器，兩者工作原理截然不同。因此，并不能直接套用該類方法。故，需要一種新的技術方案以解決上述問題。技術實現要素：針對抽水蓄能機組靜止變頻起動過程中，缺乏可靠且高精度的轉子位置估計方法這一問題，本發明提供一種基于滾動時域的無傳感器轉子位置估計方法，能夠應用于抽水蓄能機組靜止變頻起動。為實現上述目的，本發明可采用如下技術方案：一種抽水蓄能機組靜止變頻起動轉子位置估計方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)、建立抽水蓄能機組的數學模型；(2)、初始化抽水蓄能機組的狀態量，包括分別對初始估計值滾動時域窗口長度N、初始懲罰矩陣R、Q和P0的初始化；(3)、T時刻的系統狀態估計問題，即當采樣時刻T≤N時，應用全部的采樣數據對系統狀態進行估計；累計采樣次數T超過N時，根據數據時域窗口長度，則將系統狀態估計問題的計算時域分成兩個部分，{0≤k≤T-N-1}與{T-N≤k≤T-1}；(4)、用到達代價函數代替前N時刻測量信息對狀態量的影響，則得到近似滾動時域估計的二次優化問題；最后，二次優化問題的最優解即為k，k＝T-N+1，...T時刻的系統狀態估計值，并將狀態估計值作為控制反饋信號輸出。相對于現有技術，本發明的有益效果為：1.省去了角度傳感器，提高了系統可靠性，節省了成本；2.該方法引入了數據時域窗口，充分利用以約束形式出現的關于系統狀態和干擾的已知信息，具有更高的合理性和準確性。附圖說明圖1是雙饋電機轉子位置估計的原理框圖；圖2是本發明中采用的轉子位置的滾動時域估計方法流程圖。具體實施方式請結合圖1及圖2所示，本方法公開了一種抽水蓄能機組靜止變頻起動轉子位置估計方法，包括了以下四個部分：1、建模-模型離散線性化；2、初始化；3、起動低頻階段轉子位置估計；4、控制信號輸出。可參考圖1雙饋電機轉子位置估計的原理框圖理解，具體來說，該方法可以通過以下步驟來實現：首先，建立抽水機組電機的數學模型，并寫出式(1)所示的狀態空間表達式：x·=f(x)+Bv+w---(1a)]]>y＝h(x)+v(1b)其中，式中，B=0001σLs0-LmσLsLf01Ls0LmσLsLf01σLf]]>v=vsdvsqUf]]>式中，表示狀態變量的導數，np表示抽水蓄能機組極對數，J表示抽水蓄能機組負載轉動慣量，Lm表示定子和轉子之間互感，TL表示負載轉矩，Rs表示定子電阻，Ls表示定子電感，Rf表示轉子電阻，Lf表示轉子電感，x＝[x1，x2，x3，x4]T，分別對應狀態空間量為：x1為角速度ωr，x2為定子旋轉坐標系下電流isd和x3為定子旋轉坐標系下電流isq；x4為轉子勵磁電流If。v＝[vsd，vsq，Uf]T為系統定子電壓vsd，vsq和轉子勵磁電壓輸入Uf，y為可測量，w表示系統噪聲，v表示測量噪聲。離散化狀態表達式為：x(k)＝f{x(k-1)，v(k-1)}+w(k-1)(2a)y(k)＝h{x(k)}+v(k)(2b)下標k表示采樣時刻，k≥0。第二步，初始化。基于滾動時域估計的轉子位置估計方法的動態性能(收斂速度)以及穩態性能(估計精度)，與初始化步驟是緊密相關的。這里分別對初始估計值滾動時域窗口長度N、初始懲罰矩陣R、Q和P0的初值賦予方法：①根據選取的狀態量特性，由于初始靜止狀態的各個電氣量均為0，初始狀態量的給定對估計方法收斂性能影響可以忽略，因而確定初始估計狀態量為0矢量；②滾動窗口長度N的選擇是在線計算量大小和估計精度的折中平衡，按照實際總采樣點需求確定窗口長度，一般精度要求下，窗口長度達到總采樣點千分之一即可；③初始懲罰矩陣R、Q和P0分別對應于測量噪聲、抽水蓄能機組模型本身精度以及初始狀態，這里默認設置三個矩陣為對角矩陣。首先，設置矩陣Q的q11和q22盡可能的小，以抵消忽略抽蓄機組機械方程產生的滯后，下三角參數q33和q44對參數的敏感度更強，可以采用“試湊法”給定；接著，完成矩陣R的參數給定，R矩陣參數對于估計性能影響不大，這里按照Q矩陣的q11給定；最后，通過“試湊法”給定P0。第三步，起動低頻階段轉子位置估計。在獲得機組狀態空間模型以及初始化給定后，當采樣時刻T≤N時，應用全部的采樣數據對系統狀態進行估計，當系統初始狀態x0的先驗估計滿足均值為協方差為P0的正態分布時，式(2)描述的T時刻的系統狀態估計問題等價于如下式(3)的數學規劃問題：minΦT(x0,{wk})=minΣk=0T-1||vk||R-12+||wk||Q-12+||x0-x^0||P0-12---(3)]]>求解式(3)得到則第k個時刻的狀態估計值可以通過式(4)計算。x^k*=Akx^0*+Σj=0k-1Ak-j-1Buj+Σj=0k-1Ak-j-1w^j*---(4)]]>接著，當累計采樣次數T超過N時，根據數據時域窗口長度，則可將優化問題(3)的計算時域分成兩個部分，{0≤k≤T-N-1}與{T-N≤k≤T-1}，則式(3)中的目標函數可以改寫成如下的形式：ΦT′(xT-N,{wk})=Σk=T-NT-1||vk||R-12+||wk||Q-12+ΘT-N(xT-N)---(5)]]>則式(5)中前兩項只利用了當前時刻最新的N個采樣數據，其余測量數據對估計的影響用到達代價函數ΘT-N(xT-N)來近似描述。為了建立全信息估計與固定時域估計問題之間的聯系，選擇來代替測量信息對狀態變量的影響。接著，進行近似滾動時域估計，代入達代價函數代替式(5)，可重新描述為下面的二次規劃問題：ΦT′(xT-N,{wk})=Σk=T-NT-1||vk||R-12+||wk||Q-12+||xT-N-x^T-N||PT-N-12---(6)]]>求解式(6)在T時刻的最優解則k(k＝T-N+1，…T)時刻系統的狀態估計值為：x^k*=Ak-T+Nx^T-N*+Σj=T-Nk-1Ak-j-1Buj+Σj=T-Nk-1Ak-j-1w^j*---(7)]]>求解式(6)時所用到的先驗估計狀態和誤差方差矩陣PT-N則可以通過式(8)與式(9)計算：x^k+1=Ax^k+APkCT(R+CPkCT)-1(yk-Cx^k)---(8)]]>Pk+1＝Q+A[Pk-PkCT(R+CPkCT)-1CPk]AT(9)在下一個采樣時刻T+1，測量yT，構建新的測量數據集，返回式(6)重新求解。整個估計器的設計流程如圖2所示。第四步，將上述步驟得到的位置估計作為抽水機組控制信號的反饋出入，根據估計轉速和位置給定變流器出發信號。當前第1頁1 2 3