CN102243277A - 双srf下双馈风力发电机转子电压正负序量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双SRF下双馈风力发电机转子电压正负序量的实时检测方法，步骤如下：1）对当前三相转子电压信号的瞬时值进行连续采样；2）检测采样时刻的与电网同步旋转的角度和采样时刻的转子电角度；3）将采样瞬时值由三相静止坐标系转换为两相静止坐标系；4）根据公式（2）计算得到转子电压正负序量在各个采样时刻的角度；5）根据公式（3）计算得到当前在两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正负序量；6）将两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正负序量进行反Clark变换计算得到转子电压正负序量。本发明所提出检测方法，算法简单，无复数形式计算、无滤波器、无需构造电压电流的同步旋转向量，实时性强；算法无延时。

Description

双SRF下双馈风力发电机转子电压正负序量检测方法

技术领域

本发明涉及一种双SRF下双馈风力发电机转子电压正负序量的实时检测方法，属于电气控制技术领域。

背景技术

双馈式风力发电技术是当前大型风力发电机组中获得广泛应用的主流技术。当双馈发电机接入的电网出现不平衡时(电网电压中存在负序电压分量)，将引起定子绕组发热、发电机发生转矩脉动以及向电网输送功率振荡等问题；同时在双馈风力发电机转子电压中感应出正序、负序量。因此，在双馈式风力发电机的转子电压的控制系统中，必须实时快速地检测出双馈风力发电机转子电压正序、负序量，通过相应的控制，保证双馈发电机的安全、稳定和高效地运行。

由于双馈风力发电机转子电压的频率时刻变化，传统的瞬时对称分量法实现对双馈风力发电机转子电压正序、负序量的实时检测难度比较大。目前双馈风力发电机转子电压正序、负序量检测方法可分为以下几类：

(1)基于低通滤波的检测方法，该类方法的特点：过分依赖于滤波器参数的调整，无法补偿滤波器引起的相移，易受系统频率偏移的影响；无法补偿由于低通滤波引起的延时；

(2)基于陷波器的检测方法，该类方法的特点：过分依赖于陷波器参数的调整，无法补偿陷波器引起的相移，易受系统频率偏移的影响；无法补偿由于陷波器引起的延时。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有双SRF下双馈风力发电机转子电压正负序量检测方法的缺点，提供一种算法简单、实用性强的双SRF下双馈风力发电机转子电压正负序量实时检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

双SRF下双馈风力发电机转子电压正负序量检测方法，本方法在由三相转子电压采样模块、与电网同步旋转的角度和转子电角度检测模块、坐标变换模块、转子电压正负序量角度计算模块、两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正负序量计算模块、三相静止坐标系下转子电压正负序量计算模块构成的实时检测装置中实现，具体包括以下步骤：

(1)三相转子电压采样模块对当前三相转子电压信号的瞬时值进行连续采样，并将采样结果保存为与时间顺序相关的序列形式Urotora(k)、Urotorb(k)、Urotorc(k)中；

(2)与电网同步旋转的角度检测模块检测采样时刻的与电网同步旋转的角度并将其保存为与时间顺序相关的序列形式θ_s(k)中，转子电角度检测模块检测采样时刻的转子电角度并将其保存为与时间顺序相关的序列形式θ_r(k)中；

(3)坐标变换模块将三相转子电压信号的采样瞬时值由三相静止坐标系转换为两相静止坐标系，并将结果保存到与时间顺序相关的序列形式α(k)、β(k)中；其转换矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\left(k\right)\\ \mathrm{\β}\left(k\right)\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Urotora}\left(k\right)\\ \mathrm{Urotorb}\left(k\right)\\ \mathrm{Urotorc}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

(4)转子电压正负序量角度计算模块根据电网角度检测模块的θ_s(k)与转子电角度检测模块检测θ_r(k)计算得到转子电压正序、负序量在各个采样时刻的角度θ₊(k)、θ_-(k)；其转换矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& -1\\ -1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_s\left(k\right)\\ {\mathrm{\θ}}_r\left(k\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

(5)两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正负序量计算模块根据α(k)、β(k)，α(k-1)、β(k-1)，θ₊(k)、θ_-(k)，θ₊(k-1)、θ_-(k-1)，计算得到当前在两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正序量α₊(k)、β₊(k)，负序量α_-(k)、β_-(k)；其转换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{\β}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{\α}}_{-}\left(k\right)\\ {\mathrm{\β}}_{-}\left(k\right)\end{array}\right]=C_1\·C_2^{-1}\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\left(k\right)\\ \mathrm{\β}\left(k\right)\\ \mathrm{\α}(k-1)\\ \mathrm{\β}(k-1)\end{array}\right]---\left(3\right)$

$C_1=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& 0& 0\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)\\ 0& 0& \sin \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

$C_2=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)\\ \cos \left({\mathrm{\θ}}_{+}(k-1)\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{+}(k-1)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{-}(k-1)\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{-}(k-1)\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_{+}(k-1)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{+}(k-1)\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_{-}(k-1)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{-}(k-1)\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

(6)三相静止坐标系下转子电压正负序量计算模块根据当前在两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正序量α₊(k)、β₊(k)，负序量α_-(k)、β_-(k)计算得到转子电压正序量Urotora₊(k)、Urotorb₊(k)、Urotorc₊(k)，负序量Urotora_-(k)、Urotorb_-(k)、Urotorc_-(k)；其转换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{Urotora}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{Urotorb}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{Urotorc}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{Urotora}}_{-}\left(k\right)\\ {\mathrm{Urotorb}}_{-}\left(k\right)\\ {\mathrm{Urotorc}}_{-}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}& 0& 0\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ 0& 0& -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{\β}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{\α}}_{-}\left(k\right)\\ {\mathrm{\β}}_{-}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(6\right)$

本发明方法的实时检测装置中涉及的坐标变换模块，采用Clark变换的形式，用于将采样得到的双馈风力发电机转子电压信号的瞬时值由三相静止坐标系转换为两相静止坐标系，输出为序列形式α(k)、β(k)；所述转子电压正序量角度、负序量角度计算模块，用于计算当前转子电压正序量角度、负序量角度，输出为转子电压正序、负序量在各个采样时刻的角度θ₊(k)、θ_-(k)；所述两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正负序量计算模块，接收坐标变换模块输出的α(k)、β(k)、α(k-1)、β(k-1)，转子电压正序量角度、负序量角度计算模块输出的θ₊(k)、θ_-(k)、θ₊(k-1)、θ_-(k-1)，计算得到当前在两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正序量α₊(k)、β₊(k)，负序量α_-(k)、β_-(k)；所述三相静止坐标系下转子电压正负序量计算模块接收两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正负序量计算模块输出的正序量α₊(k)、β₊(k)，负序量α_-(k)、β_-(k)进行反Clark变换计算得到转子电压正序量Urotora₊(k)、Urotorb₊(k)、Urotorc₊(k)，负序量Urotora_-(k)、Urotorb_-(k)、Urotorc_-(k)。

本发明的有益效果如下：较传统检测方法，根据本发明所提出的双SRF下双馈风力发电机转子电压正负序量的实时检测，实现双馈风力发电机转子电压的实时正序、负序量检测，可应用于双馈风力发电机各种不对称运行及不对称故障的稳态分析、动态分析及控制和补偿中；算法简单、无陷波环节以及滤波环节引起的延时、无反三角函数计算，实时性强；易于工程实现。

附图说明

图1为本发明提出双SRF下双馈风力发电机转子电压正负序量的实时检测方法的计算流程图；

图2为同时含有正负序量的双馈风力发电机转子电压图；

图3为已知三相双馈风力发电机转子电压变换到两相静止坐标系下的αβ分量图；

图4为检测到的正负序量的αβ分量图；

图5为检测到的正负序量三相双馈风力发电机转子电压图。

具体实施方式

本发明的双SRF下双馈风力发电机转子电压正负序量检测方法，包括：三相转子电压采样模块，用于实时检测当前的三相转子电压信号的瞬时值，并将采样结果保存为与时间顺序相关的序列形式Urotora(k)、Urotorb(k)、Urotorc(k)中；与电网同步旋转的角度和转子电角度检测模块，用于检测采样时刻的与电网同步旋转的角度并将其保存为与时间顺序相关的序列形式θ_s(k)中，检测采样时刻的转子电角度并将其保存为与时间顺序相关的序列形式θ_r(k)中；坐标变换模块，用于将三相静止坐标系转换为两相静止坐标系，并将结果保存到与时间顺序相关的序列形式α(k)、β(k)中；转子电压正序量角度、负序量角度计算模块，用于计算得到转子电压正序、负序量在各个采样时刻的角度θ₊(k)、θ_-(k)；两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正序、负序量计算模块，用于计算得到当前在两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正序分量α₊(k)、β₊(k)，负序分量α_-(k)、β_-(k)；三相静止坐标系下转子电压正序、负序量计算模块，用于计算得到转子电压正序量Urotora₊(k)、Urotorb₊(k)、Urotorc₊(k)，负序量Urotora_-(k)、Urotorb_-(k)、Urotorc_-(k)。

如图1所示为本发明检测方法的流程图，其具体实施过程如下：

当双馈发电机接入电网的出现不平衡时(电网电压中存在负序电压分量)，在双馈风力发电机转子电压中感应出正序、负序量。此时实时采样双馈风力发电机转子电压的瞬时值经过坐标变换后保存到与时间顺序相关的序列形式α(k)、β(k)，由锁相环等获得与电网同步旋转的角度保存为与时间顺序相关的序列形式θ_s(k)，由编码器或者无速度传感器等获得检测采样时刻的转子电角度保存为与时间顺序相关的序列形式θ_r(k)，经过两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正序、负序量计算模块与转子电压正序、负序量计算模块计算后得到转子电压正序量Urotora₊(k)、Urotorb₊(k)、Urotorc₊(k)，负序量Urotora_-(k)、Urotorb_-(k)、Urotorc_-(k)。

发明人根据转子电压的特点，通过计算机仿真证明了以上的论断，在双馈风力发电机三相转子电压中，正序量、负序量的幅值与频率时刻变化，由本发明的双馈风力发电机转子电压正负序量的实时检测方法实现对双馈风力发电机转子电压正序、负序量的实时检测；本发明算法在初始时刻由于不能得到α(k-1)、β(k-1)，所以会在初始时刻产生一个非模型误差，本实施例中均为稳定后的波形。图2为同时包含正序、负序分量的双馈风力发电机转子电压波形，图3为已知三相双馈风力发电机转子电压变换到两相静止坐标系下的αβ分量图，由图4的两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压的正序分量、负序分量构成，图5为双馈风力发电机转子电压的正序、负序分量波形；由以上波形可以看出，本发明实现了对双馈风力发电机转子电压正序、负序量的实时检测。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.双SRF下双馈风力发电机转子电压正负序量检测方法，其特征在于：本方法在由三相转子电压采样模块、与电网同步旋转的角度和转子电角度检测模块、坐标变换模块、转子电压正负序量角度计算模块、两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正负序量计算模块、三相静止坐标系下转子电压正负序量计算模块构成的实时检测装置中实现，具体包括以下步骤：

(1)三相转子电压采样模块对当前三相转子电压信号的瞬时值进行连续采样，并将采样结果保存为与时间顺序相关的序列形式Urotora(k)、Urotorb(k)、Urotorc(k)中；

(2)与电网同步旋转的角度检测模块检测采样时刻的与电网同步旋转的角度并将其保存为与时间顺序相关的序列形式θ_s(k)中，转子电角度检测模块检测采样时刻的转子电角度并将其保存为与时间顺序相关的序列形式θ_r(k)中；

(3)坐标变换模块将三相转子电压信号的采样瞬时值由三相静止坐标系转换为两相静止坐标系，并将结果保存到与时间顺序相关的序列形式α(k)、β(k)中；其转换矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\left(k\right)\\ \mathrm{\β}\left(k\right)\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Urotora}\left(k\right)\\ \mathrm{Urotorb}\left(k\right)\\ \mathrm{Urotorc}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

(4)转子电压正负序量角度计算模块根据电网角度检测模块的θ_s(k)与转子电角度检测模块检测θ_r(k)计算得到转子电压正序、负序量在各个采样时刻的角度θ₊(k)、θ_-(k)；其转换矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& -1\\ -1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_s\left(k\right)\\ {\mathrm{\θ}}_r\left(k\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

(5)两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正负序量计算模块根据α(k)、β(k)，α(k-1)、β(k-1)，θ₊(k)、θ_-(k)，θ₊(k-1)、θ_-(k-1)，计算得到当前在两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正序量α₊(k)、β₊(k)，负序量α_-(k)、β_-(k)；其转换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{\β}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{\α}}_{-}\left(k\right)\\ {\mathrm{\β}}_{-}\left(k\right)\end{array}\right]=C_1\·C_2^{-1}\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\left(k\right)\\ \mathrm{\β}\left(k\right)\\ \mathrm{\α}(k-1)\\ \mathrm{\β}(k-1)\end{array}\right]---\left(3\right)$

$C_1=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& 0& 0\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)\\ 0& 0& \sin \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

$C_2=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{+}\left(k\right)\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{-}\left(k\right)\right)\\ \cos \left({\mathrm{\θ}}_{+}(k-1)\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{+}(k-1)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{-}(k-1)\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{-}(k-1)\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_{+}(k-1)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{+}(k-1)\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_{-}(k-1)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{-}(k-1)\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

(6)三相静止坐标系下转子电压正负序量计算模块根据当前在两相静止坐标系下双馈风力发电机转子电压正序量α₊(k)、β₊(k)，负序量α_-(k)、β_-(k)计算得到转子电压正序量Urotora₊(k)、Urotorb₊(k)、Urotorc₊(k)，负序量Urotora_-(k)、Urotorb_-(k)、Urotorc_-(k)；其转换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{Urotora}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{Urotorb}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{Urotorc}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{Urotora}}_{-}\left(k\right)\\ {\mathrm{Urotorb}}_{-}\left(k\right)\\ {\mathrm{Urotorc}}_{-}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}& 0& 0\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ 0& 0& -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{\β}}_{+}\left(k\right)\\ {\mathrm{\α}}_{-}\left(k\right)\\ {\mathrm{\β}}_{-}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(6\right).$

2.根据权利要求1所述的双SRF下双馈风力发电机转子电压正负序量检测方法，其特征在于：在所述步骤2)中，检测采样时刻的与电网同步旋转的角度序列形式θ_s(k)，采用锁相环方式实现。

3.根据权利要求2所述的双SRF下双馈风力发电机转子电压正负序量检测方法，其特征在于：在所述步骤2)中，检测转子电角度序列形式θ_r(k)，用编码器或者无速度传感器获得。

Images