CN102608412A - 双馈风力发电机的逆软仪表 - Google Patents

Abstract

双馈风力发电机的逆软仪表是一种可在线实时测量双馈风力发电机中关键待测变量（即转子电流d轴分量和转子电流q轴分量）的逆软仪表，适用于双馈风力发电机的高性能监控系统和控制器设计，该装置由逆软仪表（3）组成；逆软仪表（3）的输入端（B1、B2、B3、B4）分别接双馈风力发电机（1）的第一输出端（A1）、第二输出端（A2）、第三输出端（A3）、输入端（A4）；逆软仪表（3）的输出（B5、B6）分别为待测的双馈风力发电机（1）的转子电流d轴分量和转子电流q轴分量。

Description

双馈风力发电机的逆软仪表

技术领域

本发明是一种用于在线实时测量双馈风力发电机中一些关键待测变量的逆软仪表，其中的关键待测变量包括转子电流d轴分量和转子电流q轴分量，属于电力系统测量的技术领域。

背景技术

双馈风力发电机目前在风力发电系统中得到了广泛应用。双馈风力发电机中转子电流d轴分量I_dr和转子电流q轴分量I_qr的测量对于双馈风力发电机的运行监控具有重要意义，也是许多控制策略能够实际应用的重要前提。

为实现双馈风力发电机转子电流d轴分量和转子电流q轴分量的在线实时测量，通常有两种方法：一种是坐标变换法，需要测量双馈风力发电机的转子三相电流，这类方法的缺点是坐标变换相当复杂，应用较麻烦；另一种是间接测量法，即基于特定的双馈风力发电机模型和一些直接可测变量(如定子电压、定子电流、转子电流等)计算或估计出待测变量。目前已有的间接测量方法主要只针对模型中的定子磁链方程，而且需要测量定子端的三相电压和电流，其中旋转变换所需的定子电压相角精度也难以保证。

为了进一步提高双馈风力发电机转子电流d轴分量I_dr和转子电流q轴分量I_qr的在线实时测量精度，同时又在费用上经济，在应用上简便，需要设计针对完整的双馈风力发电机模型的测量装置，以满足风力发电高性能监控系统及控制器的设计需求。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种可在线实时测量双馈风力发电机中转子电流d轴分量I_dr和转子电流q轴分量I_qr的逆软仪表。

技术方案：双馈风力发电机逆软仪表的实现方法是：首先，确定双馈风力发电机中在线直接可测的变量(包括定子有功功率P_s、定子无功功率Q_s、定子电压U_s、同步角速度ω_s)和关键待测变量(双馈风力发电机的转子电流d轴分量I_dr、转子电流q轴分量I_qr)；然后，根据双馈风力发电机的数学模型，建立双馈风力发电机的逆模型；最后，基于逆模型实现逆软仪表，并将逆软仪表串接在双馈风力发电机之后，实现对转子电流d轴分量I_dr、转子电流q轴分量I_qr的在线实时测量。

该逆软仪表的输入信号为双馈风力发电机的1个直接可测输入变量，即同步角速度ω_s，以及3个直接可测输出变量，即定子有功功率P_s、定子无功功率Q_s和定子电压U_s；输出为双馈风力发电机的2个关键待测变量，分别为转子电流d轴分量I_dr和转子电流q轴分量I_qr；逆软仪表的第一输入端接双馈风力发电机的第一输出端，逆软仪表的第二输入端接双馈风力发电机的第二输出端，逆软仪表的第三输入端接双馈风力发电机的第三输出端，逆软仪表的第四输入端接双馈风力发电机的输入端，逆软仪表的2个输出端分别为：转子电流d轴分量I_dr和转子电流q轴分量I_qr。

逆软仪表采用数字信号处理器即DSP控制器及其外围设备实现；逆软仪表通过逆软测量运算子程序实现；定子有功功率P_s、定子无功功率Q_s、定子电压U_s和同步角速度ω_s通过模数转换器即AD转换器转换成相应的数字量，并以中断方式读入DSP控制器；然后，DSP控制器进行逆软测量运算，得到转子电流d轴分量I_dr、转子电流q轴分量I_qr的数值，并通过输出显示单元显示输出。

DSP控制器的运行包括；

DSP主程序先进行初始化，然后进入数据显示和故障诊断的循环；如果接收到主程序结束命令，则结束主程序；在主程序数据显示和故障诊断期间，按0.05秒的(也可以给一个时间区间)时间间隔运行逆软测量中断服务程序；同时，在主程序数据显示和故障诊断期间，如果出现命令或保护故障，则运行异常中断服务程序；

逆软测量中断服务程序的处理流程为：首先对主程序进行现场保护，再通过AD转换器采集定子有功功率P_s、定子无功功率Q_s、定子电压U_s和同步角速度ω_s，然后运行逆软测量运算程序，得到转子电流d轴分量I_dr、转子电流q轴分量I_qr的数值，并把运算结果输出到显示单元的存储器中，最后恢复现场并返回主程序。

有益效果：本发明的原理是通过构造双馈风力发电机的逆软仪表，并将其串接在双馈风力发电机之后，实现对转子电流d轴分量I_dr、转子电流q轴分量I_qr的在线实时测量。它基于双馈风力发电机严格的数学模型，经过严格的数学推导得到逆软仪表，所设计的逆软仪表具有较高的精度和很好的实用价值，可应用于许多双馈风力发电机的控制器设计中。

本发明的优点在于：

a.所设计的逆软仪表基于双馈风力发电机常用的同步旋转坐标下的模型进行严格推导后获得，可充分反映实际双馈风力发电机的动态特征，具有较高的精度。

b.所设计的逆软仪表所需的输入信号均为实际工程中容易获得的本地直接可测变量，逆软仪表本身通过附加的软硬件实现，不需要对双馈风力发电机本体进行任何改动，实现费用低，安全可靠，易于工程实现。

本发明可用于双馈风力发电机转子电流d轴分量I_dr、转子电流q轴分量I_qr的在线实时测量，对提高风力发电系统的监控水平和设计高性能的双馈风力发电机控制器具有重要意义，应用前景十分广阔。

附图说明

图1是双馈风力发电机1的输入变量、直接可测的输出量及关键待测变量示意图。该双馈风力发电机1的输入变量是同步角速度ω_s；直接可测的输出量包括定子有功功率P_s、定子无功功率Q_s、定子电压U_s；关键待测变量包括转子电流d轴分量I_dr、转子电流q轴分量I_qr。

图2是逆模型2的示意图。逆模型2的输入是P_s、Q_s、U_s及ω_s，输出是I_dr、I_qr。

图3是逆软仪表3的具体结构图及逆软仪表3与双馈风力发电机1的串接关系。

图4是采用DSP控制器4作为逆软仪表3的本发明装置组成示意图。其中有锁相环5、定子电压传感器6、定子无功功率传感器7、定子有功功率传感器8、AD转换器41和输出显示单元42。

图5是采用DSP控制器4作为逆软仪表3实现本发明的系统流程框图。

具体实施方式

首先确定逆软仪表的直接可测的输出量与所需的关键待测变量，建立双馈风力发电机的模型；接着建立双馈风力发电机的逆模型；最后，基于逆模型实现逆软仪表，并将逆软仪表串接在双馈风力发电机之后，实现对转子电流d轴分量I_dr、转子电流q轴分量I_qr的在线实时测量。

双馈风力发电机逆软仪表的具体实施分为以下3步：

1确定双馈风力发电机直接可测的输出变量与关键待测变量。

双馈风力电机的数学模型(同步旋转坐标下模型)为：

$U_{\mathrm{ds}}=R_s{I}_{\mathrm{ds}}+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}---(1-1)$

$U_{\mathrm{qs}}=R_s{I}_{\mathrm{qs}}+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}---(1-2)$

ψ_ds＝L_sI_ds+L_mI_dr                                                   (1-3)

ψ_qs＝L_sI_qs+L_mI_qr                                                   (1-4)

$P_s=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{ds}}{I}_{\mathrm{ds}}+U_{\mathrm{qs}}{I}_{\mathrm{qs}})---(1-5)$

$Q_s=\frac{3}{2}(U_{\mathrm{qs}}{I}_{\mathrm{ds}}-U_{\mathrm{ds}}{I}_{\mathrm{qs}})---(1-6)$

$U_s=\sqrt{U_{\mathrm{ds}}^2+U_{\mathrm{qs}}^2}---(1-7)$

其中，U_ds为定子电压d轴分量，U_qs为定子电压q轴分量，I_ds为定子电流d轴分量，I_qs为定子电流q轴分量，ψ_ds为定子磁通量d轴分量，dψ_ds/dt为定子磁通量d轴分量的一阶微分，ψ_qs为定子磁通量q轴分量，dψ_qs/dt为定子磁通量q轴分量的一阶微分，ω_s为同步角速度，R_s为定子电阻，L_s为定子等效两相绕组的自感，L_m为定子与转子同轴等效绕组间的互感，P_s为定子有功功率，Q_s为定子无功功率，U_s为定子电压。

双馈风力发电机的输入变量是同步角速度ω_s。同时可确定双馈风力发电机直接可测的输出量包括：定子有功功率P_s、定子无功功率Q_s、定子电压U_s；关键待测变量包括：转子电流d轴分量I_dr、转子电流q轴分量I_qr(如图1所示)。

2建立双馈风力发电机的逆模型。在定子电压定向下，定子q轴电压分量为0，同时由于双馈风力发电机一般并网运行，可忽略定子磁通暂态量，即dψ_ds/dt和dψ_qs/dt也为0，据此根据式(1-1)～(1-7)所示的双馈风力发电机的数学模型，经过严格的数学推导(具体推导过程省略)，双馈风力发电机的逆模型可用如下的非线性函数表示：

$I_{\mathrm{dr}}=\frac{2R_s{Q}_s-2{\mathrm{\ω}}_s{L}_s{P}_s}{3{\mathrm{\ω}}_s{L}_m{U}_s}---(2-1)$

$I_{\mathrm{qr}}=\frac{2R_s{P}_s+2{\mathrm{\ω}}_s{L}_s{Q}_s-3U_s^2}{3{\mathrm{\ω}}_s{L}_m{U}_s}---(2-2)$

逆模型的示意图如图2所示。

3逆软仪表的实现。

在式(2-1)～(2-2)所示逆模型的基础上可建立逆软仪表。逆模型的输入P_s、Q_s、U_s及ω_s均为直接可测变量；逆模型的输出为I_dr、I_qr。

具体的，逆软仪表的实现结构如图3所示，其中式(2-1)～(2-2)所述的逆运算由逆软仪表实现。

将逆软仪表串接在双馈风力发电机之后(如图3所示)，就可实现对转子电流d轴分量I_dr、转子电流q轴分量I_qr的在线实时测量。

图4给出了本发明的一种具体实施例的示意图。这里，逆软仪表采用数字信号处理器即DSP控制器及其外围设备实现，逆软仪表通过逆软测量运算子程序实现。

首先，定子有功功率P_s、定子无功功率Q_s、定子电压U_s、同步角速度ω_s通过AD转换器转换成相应的数字量，并以中断方式读入DSP控制器；然后，DSP控制器对读入的数字量P_s、Q_s、U_s、ω_s进行逆软测量运算，获得转子电流d轴分量I_dr和转子电流q轴分量I_qr，这里的逆软测量运算即为式(2-1)～(2-2)的逆运算；最后通过输出显示单元，对逆软测量得到的数值进行显示输出。

DSP程序包括主程序和两个中断服务程序(逆软测量中断服务程序和异常中断服务程序)。DSP主程序先进行初始化，然后进入数据显示和故障诊断的循环。如果接收到主程序结束命令，则结束主程序。在主程序数据显示和故障诊断期间，按一定时间间隔运行逆软测量运算中断服务程序，同时如果出现命令或保护故障，则运行异常中断服务程序。逆软测量运算中断服务程序的处理流程为：首先对主程序进行现场保护，再通过AD转换器采集定子有功功率P_s、定子无功功率Q_s、定子电压U_s、同步角速度ω_s，然后运行逆软测量运算程序，得到转子电流d轴分量I_dr和转子电流q轴分量I_qr的数值，并把运算结果输出到显示单元的存储器中，最后恢复现场并返回主程序。具体的系统程序框图如图5所示。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (3)

1.一种双馈风力发电机的逆软仪表实现方法，其特征在于该逆软仪表(3)的输入信号为双馈风力发电机(1)的1个直接可测输入变量，即同步角速度ω_s，以及3个直接可测输出变量，即定子有功功率P_s、定子无功功率Q_s和定子电压U_s；输出为双馈风力发电机(1)的2个关键待测变量，分别为转子电流d轴分量I_dr和转子电流q轴分量I_qr；逆软仪表(3)的第一输入端(B1)接双馈风力发电机(1)的第一输出端(A1)，逆软仪表(3)的第二输入端(B2)接双馈风力发电机(1)的第二输出端(A2)，逆软仪表(3)的第三输入端(B3)接双馈风力发电机(1)的第三输出端(A3)，逆软仪表(3)的第四输入端(B4)接双馈风力发电机(1)的输入端(A4)，逆软仪表(3)的2个输出端分别为：转子电流d轴分量I_dr(B5)和转子电流q轴分量I_qr(B6)。

2.根据权利要求1所述的双馈风力发电机的逆软仪表实现方法，其特征在于逆软仪表(3)采用数字信号处理器即DSP控制器(4)及其外围设备实现；逆软仪表(3)通过逆软测量运算子程序实现；定子有功功率P_s、定子无功功率Q_s、定子电压U_s和同步角速度ω_s通过模数转换器即AD转换器(41)转换成相应的数字量，并以中断方式读入DSP控制器(4)；然后，DSP控制器(4)根据下式

$I_{\mathrm{dr}}=\frac{2R_s{Q}_s-2{\mathrm{\ω}}_s{L}_s{P}_s}{3{\mathrm{\ω}}_s{L}_m{U}_s}---(2-1)$

$I_{\mathrm{qr}}=\frac{2R_s{P}_s+2{\mathrm{\ω}}_s{L}_s{Q}_s-3U_s^2}{3{\mathrm{\ω}}_s{L}_m{U}_s}---(2-2)$

进行逆软测量运算，得到转子电流d轴分量I_dr、转子电流q轴分量I_qr的数值，并通过输出显示单元(42)显示输出。

3.根据权利要求2所述的双馈风力发电机的逆软仪表实现方法，其特征在于DSP控制器(4)的运行包括；

DSP主程序先进行初始化，然后进入数据显示和故障诊断的循环；如果接收到主程序结束命令，则结束主程序；在主程序数据显示和故障诊断期间，按0.05秒的时间间隔运行逆软测量中断服务程序；同时，在主程序数据显示和故障诊断期间，如果出现命令或保护故障，则运行异常中断服务程序；

逆软测量中断服务程序的处理流程为：首先对主程序进行现场保护，再通过AD转换器(41)采集定子有功功率P_s、定子无功功率Q_s、定子电压U_s和同步角速度ω_s，然后运行逆软测量运算程序，得到转子电流d轴分量I_dr、转子电流q轴分量I_qr的数值，并把运算结果输出到显示单元(42)的存储器中，最后恢复现场并返回主程序。

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