CN104052366A - 一种双馈电机转子电压的估算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈电机转子电压的估算方法及系统，涉及发电技术，旨在提供省略转子电压采集装置的转子电压的计算方法。本发明技术要点：根据开关管状态及转子三相电流流向确定电压V_a，电压V_b以及电压V_c，其中电压V_a为与转子K相对应的上开关管与下开关管公共连接点的电压，电压V_b为与转子L相对应的上开关管与下开关管公共连接点的电压，电压V_c为与转子M相对应的上开关管与下开关管公共连接点的电压。利用以下公式计算转子的K相电压U_K、L相电压U_L及M相电压U_M：U_K＝V_a-1/3(V_a+V_b+V_c)；U_L＝V_b-1/3(V_a+V_b+V_c)；U_M＝V_c-1/3(V_a+V_b+V_c)。

Description

一种双馈电机转子电压的估算方法及系统

技术领域

本发明涉及发电技术，尤其是一种双馈电机转子电压的估算方法。

背景技术

双馈变流器控制系统中，采用空间矢量脉宽调制SVPWM(SpaceVector Pulse WidthModulation)技术，SVPWM是把三相逆变器的入端电压在复平面上合成为空间电压矢量，并通过不同开关状态构成的八个空间矢量去逼近电压源，以形成SVPWM波。目前，SVPWM技术广泛应用于交流感应电机、永磁同步电机的控制和高功率因数AC/DC交流中，已经成为三相电压源逆变器中的一种比较流行的PWM技术。

双馈发电机转子电压作为电机运行时的重要电气参数，通常需要提供给监控、保护、控制系统使用，因此转子电压的采集很重要。当前国内外大型机组的转子电压一般从转子绕组的正负极引出，通过采样进入控制系统。由于转子电压相对较高(一般约为500V)，在长期运行线路老化的情况下，采样数据可能存在一定的偏差，转子电压采样回路绝缘水平有可能降低，保护系统也存在隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种转子电压的计算方法，可以省去采样装置。

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

根据开关管状态及转子三相电流流向确定电压V_a，电压V_b以及电压V_c，其中电压V_a为与转子K相对应的上开关管与下开关管公共连接点的电压，电压V_b为与转子L相对应的上开关管与下开关管公共连接点的电压，电压V_c为与转子M相对应的上开关管与下开关管公共连接点的电压。

利用以下公式计算转子的K相电压U_K、L相电压U_L及M相电压U_M：

U_K＝V_a-1/3(V_a+V_b+V_c)；

U_L＝V_b-1/3(V_a+V_b+V_c)；

U_M＝V_c-1/3(V_a+V_b+V_c)。

进一步，当转子K相对应的上开关管及下开关管均关断且K相电流从转子流向母线侧时；或者当转子K相对应的上开关管导通及转子K相对应的下开关管关断时：V_a＝U_dc；当转子K相对应的上开关管及下开关管均关断且K相电流从母线侧流向转子时；或者当转子K相对应的上开关管关断及转子K相对应的下开关管导通时：V_a＝0。

当转子L相对应的上开关管及下开关管均关断且L相电流从转子流向母线侧时；或者当转子L相对应的上开关管导通及转子L相对应的下开关管关断时：V_b＝U_dc；当转子L相对应的上开关管及下开关管均关断且L相电流从母线侧流向转子时；或者当转子L相对应的上开关管关断及转子L相对应的下开关管导通时：V_b＝0。

当转子M相对应的上开关管及下开关管均关断且M相电流从转子流向母线侧时；或者当转子M相对应的上开关管导通及转子M相对应的下开关管关断时：V_c＝U_dc；当转子M相对应的上开关管及下开关管均关断且M相电流从母线侧流向转子时；或者当转子M相对应的上开关管关断及转子M相对应的下开关管导通时：V_c＝0；

U_dc为母线电压。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明只需要通过检测开关管的导通状态及电流流向就可以估算出转子电压，无需转子电压采样装置，该方法计算简便，降低了采集装置的复杂程度及成本，大大减小了因线路老化造成的风险。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为逆变器机侧示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

图1展示了逆变器的连接方式。DFIG是双馈电机的简称，由转子和定子两部分组成。转子的K相电压、L相电压和M相电压分别通过一个电感L与三组上下开关管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)相连，PN之间是母线电容，U_dc表示母线电压。V_a，V_b，V_c分别表示a，b，c三点的电压。a点为转子K相对应的上IGBT与下IGBT的公共连接点，b点为转子L相对应的上IGBT与下IGBT的公共连接点，c点为转子M相对应的上IGBT与下IGBT的公共连接点。U_K，U_L，U_M分别表示转子的K相电压、L相电压和M相电压，i_a、i_b、i_c为K相电流、L相电流和M相电流，图中标示的箭头方向为设定的电流正方向。

在双馈电机的控制系统中，通过SVPWM调制技术可以得到IGBT脉冲信号，结合母线电压和转子电流即可得到转子相电压，具体实现过程如下：

根据开关管状态及转子三相电流流向确定电压V_a，电压V_b以及电压V_c。

利用以下公式计算转子的K相电压U_K、L相电压U_L及M相电压U_M：

U_K＝V_a-1/3(V_a+V_b+V_c)；

U_L＝V_b-1/3(V_a+V_b+V_c)；

U_M＝V_c-1/3(V_a+V_b+V_c)。

在一个具体实施例中，电压V_a，电压V_b以及电压V_c可以按照以下方式确定：

当转子K相对应的上开关管及下开关管均关断且K相电流从转子流向母线侧时；或者当转子K相对应的上开关管导通及转子K相对应的下开关管关断时：V_a＝U_dc；当转子K相对应的上开关管及下开关管均关断且K相电流从母线侧流向转子时；或者当转子K相对应的上开关管关断及转子K相对应的下开关管导通时：V_a＝0。

当转子L相对应的上开关管及下开关管均关断且L相电流从转子流向母线侧时；或者当转子L相对应的上开关管导通及转子L相对应的下开关管关断时：V_b＝U_dc；当转子L相对应的上开关管及下开关管均关断且L相电流从母线侧流向转子时；或者当转子L相对应的上开关管关断及转子L相对应的下开关管导通时：V_b＝0。

当转子M相对应的上开关管及下开关管均关断且M相电流从转子流向母线侧时；或者当转子M相对应的上开关管导通及转子M相对应的下开关管关断时：V_c＝U_dc；当转子M相对应的上开关管及下开关管均关断且M相电流从母线侧流向转子时；或者当转子M相对应的上开关管关断及转子M相对应的下开关管导通时：V_c＝0。

下面结合图1论述利用本方法估算转子电压的可行性。

根据图1所示的变频器的连接方式可知，N点电压为零。对于转子K相而言，如果IGBT上管导通，因为IGBT导通电阻很小，可忽略IGBT的导通压降，则a点电压V_a与P点电压相等，即V_a为母线电压U_dc；同理，如果IGBT下管导通，则a点电压V_a与N点电压相等，即V_a为零。

如果IGBT两管都不导通，检测到i_a为正(i_a方向与箭头一致)，则IGBT的下管二极管导通，续流二极管导通电压约0.3V，可忽略该压降，则a点电压V_a与N点电压相等，即V_a为零；同理，检测到i_a为负(i_a方向与箭头相反)，则IGBT的上管二极管导通，V_a为U_dc。

IGBT上、下管同时导通会造成短路现象，这是绝对不允许的。

综上所述，V_a电压可表示为：

$V_a=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{dc}}& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{up}}=0,{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{dw}}=0,i_a<0\\ {\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{up}}=1,{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{dw}}=0\end{array}\right.\\ 0& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{up}}=0,{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{dw}}=0,i_a>0\\ {\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{up}}=0,{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{dw}}=1\end{array}\right.\end{array}\right.$    (公式1)，

其中，IGBT_up表示IGBT上管，IGBT_dw表示IGBT下管。IGBT开通用1表示，IGBT关断用0表示。i_a>0表示电流实际方向与规定的正方向相同，i_a<0表示电流实际方向与规定的正方向相反。

同理，V_b，V_c的表达式如下：

$V_b=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{dc}}& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{up}}=0,{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{dw}}=0,i_b<0\\ {\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{up}}=1,{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{dw}}=0\end{array}\right.\\ 0& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{up}}=0,{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{dw}}=0,i_b>0\\ {\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{up}}=0,{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{dw}}=1\end{array}\right.\end{array}\right.$   (公式2)，

$V_c=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{dc}}& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{up}}=0,{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{dw}}=0,i_c<0\\ {\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{up}}=1,{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{dw}}=0\end{array}\right.\\ 0& \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{up}}=0,{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{dw}}=0,i_c>0\\ {\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{up}}=0,{\mathrm{IGBT}}_{\mathrm{dw}}=1\end{array}\right.\end{array}\right.$   (公式3)。

因此通过IGBT的工作状态、转子电流以及母线电压可计算出V_a，V_b V_c。但是计算出的V_a，V_b，V_c并不是转子侧的相电压。双馈电机正常运行中，在理想情况下，转子侧三相电压和为零，满足公式

U_K+U_L+U_M＝0   (公式4)。

转子的线电压分别用V_ab，V_bc，V_ca来表示。由于线电压等于相电压之差，即满足公式

V_ab＝U_K-U_L   (公式5)，

V_bc＝U_L-U_M   (公式6)，

V_ca＝U_M-U_K   (公式7)，

1.5MW变流器转子电流大约400A，电感为0.071mH，经计算可知转子侧电感上L的电压约为1.8V，转子电压一般为几百伏，因此电感上的压降可以忽略。a，b点的电压等于其两点之间的电势差，即满足公式

V_ab＝V_a-V_b   (公式8)，

同理可知，

V_bc＝V_b-V_c   (公式9)，

公式5减去公式6，得

V_ab-V_bc＝U_K-U_L-(U_L-U_M)   (公式10)，

将公式4带入公式10中，整理得

V_ab-V_bc＝-3U_L   (公式11)，

将公式8和公式9带入公式11中，整理得

2V_b-V_a-V_c＝3U_L   (公式12)，

公式12两端，同时减去V_b，整理得

2V_b-(V_a+V_c+V_b)＝3U_L-V_b   (公式13)，

整理得

U_L＝V_b-1/3(V_a+V_b+V_c)(公式14)。

同理，得：

U_K＝V_a-1/3(V_a+V_b+V_c)   (公式15)，

U_M＝V_c-1/3(V_a+V_b+V_c)   (公式16)。

因此已知V_a，V_b V_c，根据公式14，公式15和公式16就可以得到转子的相电压。综上所述，在忽略转子侧电感压降和二极管压降的情况下，由IGBT脉冲信号，母线电压和转子电流即可得到转子相电压。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种双馈电机转子电压的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据开关管状态及转子三相电流流向确定电压V_a，电压V_b以及电压V_c，其中电压V_a为与转子K相对应的上开关管与下开关管公共连接点的电压，电压V_b为与转子L相对应的上开关管与下开关管公共连接点的电压，电压V_c为与转子M相对应的上开关管与下开关管公共连接点的电压；

利用以下公式计算转子的K相电压U_K、L相电压U_L及M相电压U_M：

U_K＝V_a-1/3(V_a+V_b+V_c)；

U_L＝V_b-1/3(V_a+V_b+V_c)；

U_M＝V_c-1/3(V_a+V_b+V_c)。

2.根据权利要求1所述的一种双馈电机转子电压的估算方法，其特征在于，

当转子K相对应的上开关管及下开关管均关断且K相电流从转子流向母线侧时；或者当转子K相对应的上开关管导通及转子K相对应的下开关管关断时：V_a＝U_dc；

当转子K相对应的上开关管及下开关管均关断且K相电流从母线侧流向转子时；或者当转子K相对应的上开关管关断及转子K相对应的下开关管导通时：V_a＝0；

当转子L相对应的上开关管及下开关管均关断且L相电流从转子流向母线侧时；或者当转子L相对应的上开关管导通及转子L相对应的下开关管关断时：V_b＝U_dc；

当转子L相对应的上开关管及下开关管均关断且L相电流从母线侧流向转子时；或者当转子L相对应的上开关管关断及转子L相对应的下开关管导通时：V_b＝0；

当转子M相对应的上开关管及下开关管均关断且M相电流从转子流向母线侧时；或者当转子M相对应的上开关管导通及转子M相对应的下开关管关断时：V_c＝U_dc；

当转子M相对应的上开关管及下开关管均关断且M相电流从母线侧流向转子时；或者当转子M相对应的上开关管关断及转子M相对应的下开关管导通时：V_c＝0；

U_dc为母线电压。

3.一种双馈电机转子电压的估算系统，其特征在于，包括：

中间电压获取单元，用于根据开关管状态及转子三相电流流向确定电压V_a，电压V_b以及电压V_c，其中电压V_a为与转子K相对应的上开关管与下开关管公共连接点的电压，电压V_b为与转子L相对应的上开关管与下开关管公共连接点的电压，电压V_c为与转子M相对应的上开关管与下开关管公共连接点的电压；

转子电压计算单元，用于利用以下公式计算转子的K相电压U_K、L相电压U_L及M相电压U_M：

U_K＝V_a-1/3(V_a+V_b+V_c)；

U_L＝V_b-1/3(V_a+V_b+V_c)；

U_M＝V_c-1/3(V_a+V_b+V_c)。

4.根据权利要求3所述的一种双馈电机转子电压的估算系统，其特征在于，

中间电压获取单元，用于根据下面的条件确定电压V_a，电压V_b以及电压V_c：

当转子K相对应的上开关管及下开关管均关断且K相电流从转子流向母线侧时；或者当转子K相对应的上开关管导通及转子K相对应的下开关管关断时：V_a＝U_dc；

当转子K相对应的上开关管及下开关管均关断且K相电流从母线侧流向转子时；或者当转子K相对应的上开关管关断及转子K相对应的下开关管导通时：V_a＝0；

当转子L相对应的上开关管及下开关管均关断且L相电流从转子流向母线侧时；或者当转子L相对应的上开关管导通及转子L相对应的下开关管关断时：V_b＝U_dc；

当转子L相对应的上开关管及下开关管均关断且L相电流从母线侧流向转子时；或者当转子L相对应的上开关管关断及转子L相对应的下开关管导通时：V_b＝0；

当转子M相对应的上开关管及下开关管均关断且M相电流从转子流向母线侧时；或者当转子M相对应的上开关管导通及转子M相对应的下开关管关断时：V_c＝U_dc；

当转子M相对应的上开关管及下开关管均关断且M相电流从母线侧流向转子时；或者当转子M相对应的上开关管关断及转子M相对应的下开关管导通时：V_c＝0；

U_dc为母线电压。