CN101958683A - 一种双馈风电机组定子电压冗余信号的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双馈风电机组定子电压冗余信号的获取方法，该方法基于双馈发电机定子电压观测器算法，通过现有传感器测量得到的定子电流信号、转子电流信号和转子的转速信号，在同步旋转坐标系下构造定子电压信号，最后将其逆变换回到静止坐标轴系下，即可获得冗余的定子电压信号，该信号一方面可以作为实际电压传感器信号的校对，同时也用于相应传感器的故障诊断以及风电机组容错控制等，这样不但可以节省一部分硬件传感器的安装，节约成本，而且可以减少了测量器件的安装空间，本发明可有效避免硬件冗余设计中可能带来的这些一系列问题。

Description

一种双馈风电机组定子电压冗余信号的获取方法

技术领域

本发明涉及风力发电控制技术领域，具体涉及一种双馈风电机组定子电压冗余信号的获取方法。

背景技术

随着我国并网风力发电机组的单机容量日益增大，以及大型风电场尤其是海上风电场的规划、建设和运行，风电机组将面临更恶劣的运行环境条件和更高的运行、维护成本，如何提高和保障风力发电机组的运行可靠性和安全性已经成为国内外工程界和学术界关注的焦点。并网风力发电机组的控制系统是一个综合性控制系统，包括风电机组主控制系统、变流器系统、变桨系统以及远程监控系统等。风电机组控制系统不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组运行进行控制，而且还要根据自然风速与风向的随机变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。风力发电机组控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、设备的运行安全以及发电量的多少和发电质量。因此，为了保证电网和风电机组的安全性、稳定性和可靠性，提高风电机组控制系统的运行和测试的可靠性是保障机组稳定运行的关键。

双馈风电机组是目前风力发电系统中应用最为广泛的机型之一，其定子三相绕组接工频电网，转子绕组与幅值、频率、相位和相序均可调节的四象限变频器相连。通过双PWM变流器的解耦控制可以实现双馈风电机组有功和无功功率的解耦以及变速恒频发电。

双馈风电机组定子电压测量准确性和可靠性直接影响风电机组并网运行性能以及安全可靠稳定运行，双馈风电机组控制系统中获取定子电压的冗余信号，将提高双馈风电机组定子电压测量准确性和可靠性。目前，双馈风电机组控制系统中大多数传感器没有进行冗余设计，少数的有冗余设计的，都是利用硬件冗余的方法来确保传感器输出信号的正确性，然而如果采用硬件冗余设计方案，每一个信号都需要两个或更多个传感器进行测量，必然带来成本的增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双馈风电机组定子电压冗余信号的获取方法，无需增加硬件设备，基于现有控制系统信号可以实现定子电压信号的冗余。

本发明的目的是通过下述技术方案实现：

双馈风电机组定子电压冗余信号的获取方法有一些步骤：

(1)电机工作时，双馈发电机定、转子绕组上的定、转子电流传感器测得定子电流信号I_{abc_s}和转子电流信号I_{abc_r}，发电机轴上的转速传感器测得转子的转速信号ω_r；

(2)将定子电流信号I_{abc_s}和转子电流信号I_{abc_r}变换到同步旋转坐标系下，获得同步旋转坐标系下的定子电流信号I_{dq_s}和转子电流信号I_{dq_r}；

(3)通过同步旋转坐标系下的定子电流信号I_{dq_s}、转子电流信号I_{dq_r}和转子的转速信号ω_r构造同步旋转坐标系下的定子电压观测信号

(4)将同步旋转坐标系下的定子电压观测信号逆变换到静止坐标轴系下，经过坐标变换得到的定子电压信号

作为冗余电压信号输出。

步骤(3)中所述的变换，是将定子电流信号I_{abc_s}和转子电流信号I_{abc_r}经3/2相坐标变换从静止坐标系变换到同步旋转坐标系下，其中，三相静止坐标轴系变换到同步旋转坐标dq轴系的变化矩阵为C_abc/dq：

$C_{\mathrm{abc}/\mathrm{dq}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ},\sin (\mathrm{\θ}-120),\sin (\mathrm{\θ}+120)\\ \cos \mathrm{\θ},\cos (\mathrm{\θ}-120),\cos (\mathrm{\θ}+120)\end{array}\right]$

式中θ为旋转坐标d轴与三相静止坐标轴系A轴之间的夹角，定子磁场旋转的同步电角速度ω_s和位置角θ之间的关系满足ω_s＝dθ/dt，其中t表示时间；

步骤(4)中所述的构造同步旋转坐标系，是将同步旋转坐标系下的定子电流信号I_{dq_s}、转子电流信号I_{dq_r}和转子的转速信号ω_r作为输入量，通过下式构造同步旋转坐标系下的定子电压观测信号

$U=\mathrm{AX}+B\stackrel{\·}{X};$

式中：

U＝[U^* _sd U^* _sq U_rd U_rq]^T；X＝[I_sd I_sq I_rd I_rq]^T；为X的微分量；

$A=\left[\begin{array}{cccc}{R}_s& -{\mathrm{\ω}}_s{L}_s& 0& -{\mathrm{\ω}}_s{L}_m\\ {\mathrm{\ω}}_s{L}_s& R_s& {\mathrm{\ω}}_s{L}_m& 0\\ 0& -({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)L_m& R_r& -({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)L_r\\ ({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)L_m& 0& ({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)L_r& R_r\end{array}\right];$

$B=\left[\begin{array}{cccc}{L}_s& 0& L_m& 0\\ 0& L_s& 0& L_m\\ L_m& 0& L_r& 0\\ 0& L_m& 0& L_r\end{array}\right];$

矩阵A又可以写成：

A＝A₀+A_sω_s+A_rω_r

式中，

$A_0=\left[\begin{array}{cccc}{R}_s& 0& 0& 0\\ 0& R_s& 0& 0\\ 0& 0& R_r& 0\\ 0& 0& 0& R_r\end{array}\right];$

$A_s=\left[\begin{array}{cccc}0& -L_s& 0& -L_m\\ L_s& 0& L_m& 0\\ 0& -L_m& 0& -L_r\\ L_m& 0& L_r& 0\end{array}\right];$

$A_r=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& L_m& 0& L_r\\ -L_m& 0& -L_r& 0\end{array}\right];$

其中，U^* _sd、U^* _sq分别为定子电压观测信号U^* _{dq_s}在同步旋转坐标系下的d、q轴分量；U_rd、U_rq分别为转子电压信号U_{dq_r}在同步旋转坐标系下的d、q轴分量；I_sd、I_sq分别为定子电流信号I_{dq_s}在同步旋转坐标系下的d、q轴分量；I_rd、I_rq分别为转子电流信号I_{dq_r}在同步旋转坐标系下的d、q轴分量；R_s、R_r分别表示定、转子电阻，L_m表示电机激磁电感；L_s、L_r分别表示定、转子全电感，且L_s＝L_ls+L_m、L_r＝L_lr+L_m；ω_s为定子磁场旋转的同步电角速度；ω_r为发电机转子旋转电角速度。

步骤(4)将同步旋转坐标系下的定子电压观测信号

通过2/3相坐标逆变换，C_abc/dq取逆，从同步旋转坐标系变换到三相静止坐标系下，得到的定子电压冗余信号

本发明无需增加冗余的硬件电压传感器，利用现有定转子电流传感器输出以及转速传感器输出信号构建定子电压观测信号输出，并作为现有定子电压传感器信号的校对，为双馈风电机组定子电压的测量提供冗余设计。本发明利用现有的传感器信号获得冗余的定子电压信号，该信号一方面可以作为真实传感器信号的校对，同时也用于相应传感器的故障诊断以及风电机组容错控制等，这样不但可以节省一部分硬件传感器的安装，节约成本，而且可以减少了测量器件的安装空间。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为双馈风电机组控制系统及冗余设计方案的框图；

图2为双馈风电机组定子电压观测器框图；

图3为双馈风电机组定子电压观测器冗余信号实验比较—；其中图3(a)有功功率变化时传感器值与观测器值以及两者的误差值；图3(b)无功功率变化时传感器值与观测器值以及两者的误差值；图3(c)电网电压跌落时传感器值与观测器值的比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

设d、q轴为同步旋转坐标轴系，d轴超前q轴90°，双馈发电机定子、转子电压电流正方向按照电动机惯例规定，即电机吸收正的电功率为电动机运行状态；电机吸收负的电功率为发电机运行状态。用综合相量表示的双馈发电机的电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{U}}_s=R_s{\stackrel{\→}{I}}_s+j{\mathrm{\ω}}_s{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_s+p{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_s\\ {\stackrel{\→}{U}}_r=R_r{\stackrel{\→}{I}}_r+j({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r){\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_r+p{\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_r\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_s=L_s{\stackrel{\→}{I}}_s+L_m{\stackrel{\→}{I}}_r\\ {\mathrm{\ψ}}_r=L_m{\stackrel{\→}{I}}_s+L_r{\stackrel{\→}{I}}_r\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：

分别表示定、转子电压、电流、和磁链的空间矢量；R_s、R_r分别表示定、转子电阻；ω_s为同步电角速度；ω_r表示电机转子电角速度；L_m表示电机激磁电感；L_s、L_r分别表示定、转子全电感，且L_s＝L_ls+L_m、L_r＝L_lr+L_m，其中L_ls、L_lr分别为定、转子漏感。p是微分算子。

将式(2)代入式(1)，并将其写成同步坐标轴系下的电压电流暂态方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sd}}=R_s{I}_{\mathrm{sd}}-L_s{\mathrm{\ω}}_s{I}_{\mathrm{sq}}-L_m{\mathrm{\ω}}_s{I}_{\mathrm{rq}}+L_{s}p{I}_{\mathrm{sd}}+L_{m}p{I}_{\mathrm{rd}}\\ U_{\mathrm{sq}}=R_s{I}_{\mathrm{sq}}+L_s{\mathrm{\ω}}_s{I}_{\mathrm{sd}}+L_m{\mathrm{\ω}}_s{I}_{\mathrm{rd}}+L_{s}p{I}_{\mathrm{sq}}+L_{m}p{I}_{\mathrm{rq}}\\ U_{\mathrm{rd}}=R_r{I}_{\mathrm{rd}}-L_r({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)I_{\mathrm{rq}}-L_m({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)I_{\mathrm{sq}}+L_{r}p{I}_{\mathrm{rd}}+L_{m}p{I}_{\mathrm{sd}}\\ U_{\mathrm{rq}}=R_r{I}_{\mathrm{rq}}+L_r({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)I_{\mathrm{rd}}+L_m({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)I_{\mathrm{sd}}+L_{r}p{I}_{\mathrm{rq}}+L_{m}p{I}_{\mathrm{sq}}\end{array}\right.----\left(3\right)$

以同步旋转坐标系下的双馈发电机定、转子电压d、q轴分量作为输出量U，定、转子电流d、q轴分量为状态量X，

为X的微分量，式(3)的状态空间方程的形式为

$U=\mathrm{AX}+B\stackrel{\·}{X};---\left(4\right)$

式中：

U＝[U^* _sd U^* _sq U_rd U_rq]^T；

X＝[I_sd I_sq I_rd I_rq]^T；

$A=\left[\begin{array}{cccc}{R}_s& -{\mathrm{\ω}}_s{L}_s& 0& -{\mathrm{\ω}}_s{L}_m\\ {\mathrm{\ω}}_s{L}_s& R_s& {\mathrm{\ω}}_s{L}_m& 0\\ 0& -({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)L_m& R_r& -({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)L_r\\ ({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)L_m& 0& ({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r)L_r& R_r\end{array}\right];---\left(5\right)$

$B=\left[\begin{array}{cccc}{L}_s& 0& L_m& 0\\ 0& L_s& 0& L_m\\ L_m& 0& L_r& 0\\ 0& L_m& 0& L_r\end{array}\right];---\left(6\right)$

其中，U^* _sd、U^* _sq分别为定子电压信号U^* _{dq_s}在同步旋转坐标系下的d、q轴分量；U_rd、U_rq分别为转子电压信号U_{dq_r}在同步旋转坐标系下的d、q轴分量；I_sd、I_sq分别为定子电流信号I_{dq_s}在同步旋转坐标系下的d、q轴分量；I_rd、I_rq分别为转子电流信号I_{dq_r}在同步旋转坐标系下的d、q轴分量。

将式(5)中的同步转速和转子转速分别单独列出，矩阵A可以化简成式(7)。

A＝A₀+A_sω_s+A_rω_r                    (7)

式中，

$A_0=\left[\begin{array}{cccc}{R}_s& 0& 0& 0\\ 0& R_s& 0& 0\\ 0& 0& R_r& 0\\ 0& 0& 0& R_r\end{array}\right];---\left(8\right)$

$A_s=\left[\begin{array}{cccc}0& -L_s& 0& -L_m\\ L_s& 0& L_m& 0\\ 0& -L_m& 0& -L_r\\ L_m& 0& L_r& 0\end{array}\right];---\left(9\right)$

$A_r=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& L_m& 0& L_r\\ -L_m& 0& -L_r& 0\end{array}\right];---\left(10\right)$

参见图1、图2本发明获取双馈风电机组定电压冗余信号的方法，具体包括如下步骤：

(1)电机工作时，双馈发电机定、转子绕组上的定、转子电流传感器测得定子电流信号I_{abc_s}和转子电流信号I_{abc_r}，发电机轴上的转速传感器测得转子的转速信号ω_r；

(2)将定子电流信号I_{abc_s}和转子电流信号I_{abc_r}变换到同步旋转坐标系下，获得同步旋转坐标系下的定子电流信号I_{dq_s}和转子电流信号I_{dq_r}，所述变换是将定子电流信号I_{abc_s}和转子电流信号I_{abc_r}经3/2相坐标变换从静止坐标系变换到同步旋转坐标系下，其中，三相静止坐标轴系变换到同步旋转坐标dq轴系的变化矩阵为C_abc/dq：

$C_{\mathrm{abc}/\mathrm{dq}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ},\sin (\mathrm{\θ}-120),\sin (\mathrm{\θ}+120)\\ \cos \mathrm{\θ},\cos (\mathrm{\θ}-120),\cos (\mathrm{\θ}+120)\end{array}\right]$

式中θ为旋转坐标d轴与三相静止坐标轴系A轴之间的夹角ω_s＝dθ/dt；

(3)通过同步旋转坐标系下的定子电流信号I_{dq_s}、转子电流信号I_{dq_r}和转子的转速信号ω_r通过式(4)构造同步旋转坐标系下的定子电压观测信号

本步骤在同步旋转坐标轴系下进行计算，而定子电压观测器算法中只用到定、转子电流和转子转速信号，没有用到定子电压实际传感器输出值作为反馈。

(4)将同步旋转坐标系下的定子电压观测信号

逆变换到静止坐标轴系下，经过坐标变换得到的定子电压信号

作为冗余电压信号输出。

实施例1

采用本发明所述方法对所构造的定子电压观测器的有效性进行实验，其定子电压传感器输出值与观测器输出比较如图3(a)-(c)所示。

从仿真结果比较中，无论是功率动态调节还是电网电压跌落情况，所构造的定子电压观测器输出值和实际传感器输出值能很好地保持一致，充分反映了所构造定子电压观测器具有较好的机组动、暂态调节的适应能力。

结果：通过发明的定子电压观测器模型可得到定子电压的冗余信号，该信号一方面可以作为实际电压传感器信号的校对，一旦冗余信号和实际信号不一致时，可以进一步判断出定子电压传感器可能的故障情况，进而通过隔离故障的传感器，利用定子电压的冗余信号作为双馈风电机组控制系统的输入，实现双馈风电机组可靠的并网控制以及安全可靠运行。

Claims (4)

1.一种双馈风电机组定子电压冗余信号的获取方法，其特征在于有以下步骤：

(1)电机工作时，通过双馈发电机定、转子绕组上的定、转子电流传感器测得定子电流信号I_{abc_s}和转子电流信号I_{abc_r}，发电机轴上的转速传感器测得转子的转速信号ω_r；

(2)将定子电流信号I_{abc_s}和转子电流信号I_{abc_r}变换到同步旋转坐标系下，获得同步旋转坐标系下的定子电流信号I_{dq_s}和转子电流信号I_{dq_r}；

(3)通过同步旋转坐标系下的定子电流信号I_{dq_s}、转子电流信号I_{dq_r}和转子的转速信号ω_r构造同步旋转坐标系下的定子电压观测信号 

(4)将同步旋转坐标系下的定子电压观测信号 

逆变换到静止坐标轴系下，经过坐标变换得到的定子电压信号 

作为冗余电压信号输出。

2.根据权利要求1所述的双馈风电机组定子电压冗余信号的获取方法，其特征在于：步骤(2)中所述的变换，是将定子电流信号I_{abc_s}和转子电流信号I_{abc_r}经3/2相坐标变换从静止坐标系变换到同步旋转坐标系下，其中，三相静止坐标轴系变换到同步旋转坐标dq轴系的变化矩阵为C_abc/dq：

式中θ为旋转坐标d轴与三相静止坐标轴系A轴之间的夹角，定子磁场旋转的同步电角速度ω_s和位置角θ之间的关系满足ω_s＝dθ/dt，其中t表示时间。

3.根据权利要求1所述的双馈风电机组定子电压冗余信号的获取方法，其特征在于：步骤(3)中所述的构造同步旋转坐标系，是将同步旋转坐标系下的定子电流信号I_{dq_s}、转子电流信号I_{dq_r}和转子的转速信号ω_r作为输入量，通过下式构造同步旋转坐标系下的定子电压观测信号 

式中：

U＝[U^* _sd U^* _sq U_rd U_rq]^T；X＝[I_sd I_sq I_rd I_rq]^T； 为X的微分量；

矩阵A又可以写成：

A＝A₀+A_sω_s+A_rω_r

式中，

其中，U^* _sd、U^* _sq分别为定子电压观测信号U^* _{dq_s}在同步旋转坐标系下的d、q轴分量；U_rd、U_rq分别为转子电压信号U_{dq_r}在同步旋转坐标系下的d、q轴分量；I_sd、I_sq分别为定子电流信号I_{dq_s}在同步旋转坐标系下的d、q轴分 量；I_rd、I_rq分别为转子电流信号I_{dq_r}在同步旋转坐标系下的d、q轴分量；R_s、R_r分别表示定、转子电阻，L_m表示电机激磁电感；L_s、L_r分别表示定、转子全电感，且L_s＝L_ls+L_m、L_r＝L_lr+L_m；L_ls、L_lr分别是双馈发电机定、转子漏感；ω_s为定子磁场旋转的同步电角速度；ω_r为发电机转子旋转电角速度。

4.根据权利要求1所述的双馈风电机组定子电压冗余信号的获取方法，其特征在于：步骤(4)中所述的逆变换，是将同步旋转坐标系下的定子电压观测信号 

通过2/3相坐标逆变换，即C_abc/dq取逆，从同步旋转坐标系变换到三相静止坐标系下，即得到的定子电压冗余信号 。

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