CN101272118A - 并网型双馈式风力发电机转子位置检测方法 - Google Patents

Abstract

并网型双馈式风力发电机转子位置检测方法，步骤包括采样、并网前采样量的坐标变换、转子位置PI调节、获得转子变换角、并网后采样量的坐标变换、转子位置角偏差控制量计算、转子位置PI调节、获得转子变换角。本方法用软件手段替代传感器硬件检测，可将机组并网前和并网后的转子位置角偏差调节至零，得到转子位置角的准确值，实用性强，安全、有效地实现发电机转子位置检测和机组的矢量控制，无需增加硬件，降低经济成本。

Description

并网型双馈式风力发电机转子位置检测方法

技术领域

本发明涉及一种并网型双馈式风力发电机转子位置的检测方法，属于变速恒频双馈式风力发电机技术领域。

背景技术

双馈式风力发电机是一种交流发电机，具有控制灵活、功率因数可调、效率高、变频装置容量小等优点，是目前应用最广泛的变速恒频风力发电机组的关键部件。

目前，双馈式风力发电机的控制普遍采用矢量控制的方法，对发电机转子位置的检测一般通过安装在发电机转子上的传感器得到，进一步通过运算得到转子变换角，用于机组的矢量控制。所用传感器可以是位置传感器，也可以是速度传感器。其存在的缺点是：采用传感器硬件方式测量转子位置、转速信号，一方面，由于风力发电机组实际工作环境比较复杂，安装位置传感器不仅维护不便，而且会降低整个系统的可靠性；另一方面，由于目前风力发电机组容量的不断增加，在实际运行中需要考虑位置传感器故障时如何维持机组的正常运行或如何实现机组的安全停机问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有发电机转子位置硬件检测技术的缺点，提出一种并网型双馈式风力发电机转子位置检测方法，使双馈式风力发电机能够安全稳定运行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：并网型双馈式风力发电机转子位置检测方法，在转子侧变流器控制器硬件环境中运行，其特征是包括如下步骤：

一、采集三相定子电压、电流、电网电压、转子电流；

二、由采集到的电网电压，获取电网电压矢量角θ_s；

三、判断机组运行状态，若机组处于并网前状态，转到步骤四；若机组处于并网后状态，转到步骤六；

四、将采集的三相定子电压根据(1)式转换为d、q坐标系下的分量u_sd、u_sq，并将获得的定子电压q轴分量u_sq作为转子位置角偏差控制量进入步骤五；

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}\\ u_{\mathrm{sq}}\\ u_0\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_s& \cos ({\mathrm{\θ}}_s-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\mathrm{\θ}}_s+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -{\sin \mathrm{\θ}}_s& -\sin ({\mathrm{\θ}}_s-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_s+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sa}}\\ u_{\mathrm{sb}}\\ u_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

(1)式中，u_sa、u_sb、u_sc分别为定子的三相电压，u_sd、u_sq分别是d、q坐标系下的定子电压分量；

五、将步骤四得到的机组并网前转子位置角偏差控制量u_sq作为转子位置PI调节的输入，调节环节的给定为零，经PI调节后得到转速估计值ω，由ω经积分运算和转子电流闭环调节得到实际的转子位置角θ_r，将θ_r带入(2)式：γ＝θ_s-θ_r，获得转子变换角度值γ，将该角度值γ作为机组转子电流闭环控制变换角的初始值，用于机组运行的矢量控制；

六、将步骤五中并网瞬间的转子变换角γ作为并网后转子电流变换的初始角θ₀；将采集的三相定子电流、转子电流根据(3)式和(4)式转换为d、q坐标系下的分量i_sd、i_sq、i_rd′、i_rq′；

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}}\\ i_{\mathrm{sq}}\\ i_0\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_s& \cos ({\mathrm{\θ}}_s-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\mathrm{\θ}}_s+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -{\sin \mathrm{\θ}}_s& -\sin ({\mathrm{\θ}}_s-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_s+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}}\\ i_{\mathrm{sb}}\\ i_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

$\left[\begin{array}{c}{i_{\mathrm{rd}}}^{\′}\\ {i_{\mathrm{rq}}}^{\′}\\ {i_0}^{\′}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_0& \cos ({\mathrm{\θ}}_0-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\mathrm{\θ}}_0+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_0& -\sin ({\mathrm{\θ}}_0-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ra}}\\ i_{\mathrm{rb}}\\ i_{\mathrm{rc}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

(3)式和(4)式中，i_sa、i_sb、i_sc、i_ra、i_rb、i_rc分别为定子、转子的三相电流，i_sd、i_sq、i_rd‘、i_rq‘分别为d、q坐标系下的定、转子电流分量，进入步骤七；

七、将定子电压、电流d、q坐标系下的分量u_sd、u_sq、i_sd、i_sq带入(5)式得转子电流实际值i_rd、i_rq；

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}}=\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sd}}\\ i_{\mathrm{rq}}=-\frac{U_s}{{\mathrm{\ω}}_1{L}_m}+\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sq}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

将转子电流实际值i_rd、i_rq与(4)式所得d、q坐标系下的转子电流分量i_rd‘、i_rq‘带入(6)式：Δ＝i_rq·i_rd′-i_rd·i_rq′，Δ作为转子位置角偏差控制量进入步骤八；

八、将步骤七得到的机组并网后转子位置角偏差控制量Δ作为转子位置PI调节的输入，调节环节的给定为零，经PI调节后得到转速估计值ω，由ω经积分运算和转子电流闭环调节得到实际的转子位置角θ_r，将θ_r带入(2)式：γ＝θ_s-θ_r，获得转子变换角度值γ，将该角度值γ作为机组转子电流闭环控制变换角的初始值，用于机组运行的矢量控制。

本发明的有益效果如下：

1、本方法适用于并网型双馈风力发电机转子位置检测，可以替代安装在发电机转子上的传感器硬件检测方式，避免转子位置传感器硬件检测带来的安装、维修困难等不利影响；

2、针对风电机组并网前的运行工况，若转子变换角度存在偏差Δθ时，在定子侧空载电压也会出现角度偏差，定子侧空载电压q轴分量u_sq将不为零，控制调节定子电压的q轴分量等于零，可以控制消除转子角度偏差，准确得到转子的位置和转速，实现机组并网前的转子励磁控制；

3、发电机并网运行后，当转子位置角出现偏差时，同步坐标系下的转子电流测量值i_rdq′将与实际值i_rdq出现偏差，取转子位置角偏差控制量为：Δ＝i_rq·i_rd′-i_rd·i_rq′，由转子位置PI调节及机组闭环控制动态调节将转子位置角偏差控制量Δ调节为零，当Δ等于零时，得到转子位置角的准确值。

4、本方法实用性强，只需软件手段可以简单、方便、准确地实现发电机转子位置检测和机组的控制，无需增加硬件，经济成本低。

附图说明

图1为本发明方法控制流程框图。

图2为本发明方法中转子位置PI调节原理示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

例：

这里以电网电压定向的双馈发电机矢量控制方式为例，有：u_sd＝-ω₁L_mi_rq、u_sq＝0，ω₁为定子角速度，在转子侧变流器控制器的控制下，按照图1所示流程，具体实施步骤如下：

采样发电机的转子电流、定子电压、电流以及电网电压；由采集到的电网电压，经过锁相环获取电网电压矢量角θ_s；判断机组运行状态：

1、若机组处于并网前空载励磁控制阶段，双馈发电机转子侧与变流器相联，定子侧保持开路，即定子电流为零。

1)定子电压测量值通过(1)式坐标变换得到的q轴分量u_sq作为转子位置PI调节的输入；

2)将定子电压q轴分量给定值设为0，经转子位置PI调节后可以得到转速估计值以及经过积分得到的转子位置估计值，在转子电流闭环控制的调节下将输入转子位置偏差控制量逐步调节至零，即获得实际转子位置角θ_r，PI调节原理如图2所示；

3)由公式(2)求得转子变换角度值γ，将该角度值γ作为机组转子电流闭环控制变换角的初始值，用于完成发电机的矢量控制。

当空载励磁阶段完成后，发电机定子电压频率、幅值和相位均与电网电压达到一致，满足并网要求。此时可以在系统的指令下闭合并网控制器实现发电机并网。由于转子转速和位置均是连续变量，在并网时刻，需要将并网前瞬间的转子转速及位置角作为并网后转速位置估计控制器的前馈输入量，避免并网过程中控制方法切换造成的电流冲击。

2、若机组处于并网状态，定子电压与电网电压完全一致。将步骤五中并网瞬间的转子变换角γ作为并网后转子电流变换的初始角θ₀，此时转子位置的检测流程如下：

1)由于定子电压电流坐标系变换角与转子位置角无关，由定子电压、电流d、q轴分量所表示的转子电流关系，由(5)式可以得到转子电流在定子侧d、q坐标系下的实际值i_rd、i_rq；

2)将步骤1)中转子电流实际值i_rd、i_rq与转子电流实际检测值得d、q分量i_rd′、i_rq′代入(6)式运算得到转子位置角偏差控制量Δ作为转子位置PI调节的输入，调节后得到实际的转速计算值以及经过积分后的转子位置估计值，在转子电流闭环控制的调节下将输入偏差量逐步调节至零，获得实际转子位置角θ_r；

3)根据(2)式求得转子变换角度值γ，将该角度值γ作为机组转子电流闭环控制变换角的初始值，用于准确有效的实现双馈发电机的并网后的矢量控制，取代常用的传感器器件，增强系统的可靠性。

本发明在双馈式风电机组中转子位置检测的原理及应用说明，不限于本实施例，还可以包括其它的形式完成对转子位置偏差控制量的调节，对于本发明所使用的控制原理及方法具有通用性。

Claims (1)

1、并网型双馈式风力发电机转子位置检测方法，在转子侧变流器控制器硬件环境中运行，其特征是包括如下步骤：

一、采集三相定子电压、电流、电网电压、转子电流；

二、由采集到的电网电压，获取电网电压矢量角θ_s；

三、判断机组运行状态，若机组处于并网前状态，转到步骤四；若机组处于并网后状态，转到步骤六；

四、将采集的三相定子电压根据(1)式转换为d、q坐标系下的分量u_sd、u_sq，并将获得的定子电压q轴分量u_sq作为转子位置角偏差控制量进入步骤五；

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}\\ u_{\mathrm{sq}}\\ u_0\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_s& \cos ({\mathrm{\θ}}_s-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\mathrm{\θ}}_s+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -{\sin \mathrm{\θ}}_s& -\sin ({\mathrm{\θ}}_s-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_s+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sa}}\\ u_{\mathrm{sb}}\\ u_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

(1)式中，u_sa、u_sb、u_sc分别为定子的三相电压，u_sd、u_sq分别是d、q坐标系下的定子电压分量；

五、将步骤四得到的机组并网前转子位置角偏差控制量u_sq作为转子位置PI调节的输入，调节环节的给定为零，经PI调节后得到转速估计值ω，由ω经积分运算和转子电流闭环调节得到实际的转子位置角θ_r，将θ_r带入(2)式：γ＝θ_s-θ_r，获得转子变换角度值γ，将该角度值γ作为机组转子电流闭环控制变换角的初始值，用于机组运行的矢量控制；

六、将步骤五中并网瞬间的转子变换角γ作为并网后转子电流变换的初始角θ₀；将采集的三相定子电流、转子电流根据(3)式和(4)式转换为d、q坐标系下的分量i_sd、i_sq、i_rd′、i_rq′；

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}}\\ i_{\mathrm{sq}}\\ i_0\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_s& \cos ({\mathrm{\θ}}_s-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\mathrm{\θ}}_s+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -{\sin \mathrm{\θ}}_s& -\sin ({\mathrm{\θ}}_s-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_s+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}}\\ i_{\mathrm{sb}}\\ i_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

$\left[\begin{array}{c}{i_{\mathrm{rd}}}^{\′}\\ {i_{\mathrm{rq}}}^{\′}\\ {i_0}^{\′}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_0& \cos ({\mathrm{\θ}}_0-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\mathrm{\θ}}_0+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_0& -\sin ({\mathrm{\θ}}_0-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ra}}\\ i_{\mathrm{rb}}\\ i_{\mathrm{rc}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

(3)式和(4)式中，i_sa、i_sb、i_sc、i_ra、i_rb、i_rc分别为定子、转子的三相电流，i_sd、i_sq、i_rd‘、i_rq‘分别为d、q坐标系下的定、转子电流分量，进入步骤七；

七、将定子电压、电流d、q坐标系下的分量u_sd、u_sq、i_sd、i_sq带入(5)式得转子电流实际值i_rd、i_rq；

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}}=\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sd}}\\ i_{\mathrm{rq}}=-\frac{U_s}{{\mathrm{\ω}}_1{L}_m}+\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sq}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

将转子电流实际值i_rd、i_rq与(4)式所得d、q坐标系下的转子电流分量i_rd‘、i_rq‘带入(6)式：Δ＝i_rq·i_rd′-i_rd·i_rq′，Δ作为转子位置角偏差控制量进入步骤八；

八、将步骤七得到的机组并网后转子位置角偏差控制量Δ作为转子位置PI调节的输入，调节环节的给定为零，经PI调节后得到转速估计值ω，由ω经积分运算和转子电流闭环调节得到实际的转子位置角θ_r，将θ_r带入(2)式：γ＝θ_s-θ_r，获得转子变换角度值γ，将该角度值γ作为机组转子电流闭环控制变换角的初始值，用于机组运行的矢量控制。

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