CN108448989A - 一种双馈感应发电机定子电流观测器构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈感应发电机定子电流观测器构建方法，该方法具体包括：基于模型参考自适应系统，建立含定子电流为输入向量的双馈感应发电机转子电流状态空间方程作为参考模型；将参考模型中状态变量的时变系数矩阵分解为恒定矩阵和与转速相关的时变矩阵，以恒定矩阵作为转子电流观测器状态变量的系数矩阵，时变矩阵与转子电流实际值的乘积作为转子电流观测器的时变输入，建立含定子电流观测值为可调参数的转子电流观测器的状态空间方程作为可调模型；根据Lyapunov稳定性理论结合等式替换构建可调参数的自适应律，将由其得到的定子电流观测值作为模型参考自适应系统的输出，则构成所发明的定子电流观测器。

Description

一种双馈感应发电机定子电流观测器构建方法

技术领域

本发明涉及双馈感应发电机定子电流传感器故障诊断及容错控制的技术领域，特别涉及一种双馈感应发电机定子电流观测器的构建方法。

背景技术

伴随着人口密度的日益增大，经济发展的不断推进，我国的电力负荷愈来愈大，传统的火力发电已接近饱和，对可再生能源的开发是大势所趋。风能作为我国几大可再生清洁能源之一，蕴含量巨大，近年来广受关注。经历实践的验证，变速恒频风力发电机组以其能源利用率高、电能质量好的巨大优势逐渐占据市场，而双馈感应发电机是目前世界上应用于变速恒频风力发电系统的主流风力发电机之一。

在双馈感应发电机的矢量控制系统中，若发生定子电流信号采样故障会导致其功率控制环节失去作用，引起发电机输出功率及转矩的非正常振荡，甚至破坏电网稳定性和危及风机自身安全，因此定子电流传感器作为连通电气系统和控制系统的枢纽，必须具备故障诊断及容错控制能力提高发电系统的可靠性。

目前针对电流传感器故障的容错控制方法主要分为两种：一种是增设传感器来保障系统稳定性，该方法虽然简单但成本高且可能导致连续故障；另一种是通过数学方法估计电流，替代电流传感器输出进行控制，成本较小且稳定性高，但存在估计精度不高或计算复杂等问题。随着科研水平的不断进步，第二种方法逐渐受到人们的重视，但是如何克服其缺点是从业者或者相关科研人员必须面对的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有传感器容错控制方法的不足，提供一种双馈感应发电机定子电流观测器构建方法，该方法简单易实现，不依赖于定子电流传感器的测量结果，且能够准确估计定子电流，当定子电流传感器发生故障时，有能力代替传感器输出进行容错控制，保障风力发电系统的稳定性。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明提供的一种双馈感应发电机定子电流观测器构建方法，包含以下步骤：

步骤1：忽略稳态时电机参数的变化，基于模型参考自适应系统设计思想，通过在同步旋转d-q轴系下建立双馈感应发电机理想数学模型，提取含定子电流为输入向量的转子电流状态空间方程作为参考模型；

所述步骤1具体如下：

以电动机惯例规定d-q等效电路电流方向，建立如式(1)所示的双馈感应发电机转子电流状态空间方程，以其作为参考模型；

式中，i_r＝[i_dr i_qr]^T为系统状态变量，i_s＝[i_ds i_qs]^T和u＝[u_ds u_qs u_dr u_qr]^T为系统输入向量，y为系统输出向量；i、u分别代表电流和电压，下标dr、qr、ds、qs分别代表直轴转子分量、交轴转子分量、直轴定子分量和交轴定子分量；

式(1)中，系数矩阵A、B、C、D具体如下：

C为待定矩阵；

式中，R_s，R_r分别为定、转子电阻；L_s,L_r分别为定、转子等效自感；L_m为定、转子等效励磁电感；ω_s为同步电角速度，ω_f为转差电角速度，ω_f＝ω_s-ω_r，其中ω_r为转子电角速度；σ为漏感系数，

步骤2：将参考模型中状态变量的时变系数矩阵分解为恒定矩阵和与转速相关的时变矩阵，以恒定矩阵作为转子电流观测器状态变量的系数矩阵，时变矩阵与转子电流实际值的乘积作为转子电流观测器的时变输入，然后按照线性定常系统极点配置方法配置状态观测器反馈增益矩阵，最终建立转子电流观测器的状态空间方程。该状态空间方程即构成以定子电流观测值作为可调参数的可调模型；

所述步骤2具体是：

步骤2.1：将式(1)状态变量系数矩阵A分解为恒定矩阵A₀和时变矩阵W：

步骤2.2：建立如式(3)所示的转子电流观测器状态空间方程即可调模型；

其中，上标^代表对应项观测值；定子电流观测值为可调参数；恒定矩阵A₀作为状态变量系数矩阵，时变矩阵W与转子电流向量的乘积作为转子电流观测器的时变输入；G为状态观测器反馈矩阵，根据A₀和C配置极点确定；

步骤3：根据Lyapunov稳定性理论构造目标函数，令其求导后所有含定子电流的项之和为0，整理得到定子电流观测值的微分方程组；然后将该微分方程组中不可测的实际定子电流微分项用步骤2所述状态空间方程中的状态变量微分项进行替换，替换后的上述微分方程组即构成步骤2中可调参数的自适应调节律；将由自适应调节律得到的定子电流观测值作为模型参考自适应系统的输出，最终构成所发明的定子电流观测器；

所述步骤3具体为：

步骤3.1：构造Lyapunov目标函数V：

其中，为转子电流残差；λ_ds和λ_qs为定义的动态响应调节系数，为正常数，数值根据实际模型选取；

显然V是恒大于0即为正定的，V对时间t求导可得：

根据Lyapunov稳定性理论，式(5)等式右边第一项易证明是负定的，后四项可视为定子电流估计误差给观测器系统稳定性带来的影响，令其为0即可保证V对时间的导数负定，使可调模型跟随参考模型；综上，化简并整理得到如(6)所示的关于定子电流观测值的微分方程组：

由于微分环节的滞后效应，式(4)中定子电流微分项不可测量，若忽略该项可能会影响观测器系统准确性，须对该项进行精度补偿；

根据双馈感应发电机数学模型：

其中p＝d/dt为微分算子；

由于一般感应电机定、转子漏感L_sσ、L_rσ相比定、转子等效励磁电感L_m非常小，而L_s＝L_m+L_sσ、L_r＝L_m+L_rσ，则近似有L_s≈L_r≈L_m，代入上述双馈感应发电机数学模型，整理得到定子电流微分项与转子电流微分项之间的近似关系：

以观测器的输出替代实际值，合理推出

步骤3.2：将式(6)中定子电流微分项用式(3)中转子电流微分项替换，得到最终的可调参数的自适应调节律，写成状态空间方程形式为：

式中，

步骤3.3：将由上述自适应调节律得到的定子电流观测值作为模型参考自适应系统的输出，最终构成所发明的定子电流观测器。

总结上述技术方案，本发明相较于现有技术，其优点在于：

本发明所述的双馈感应发电机定子电流观测器构建方法基于模型参考自适应系统，建模容许忽略由环境引起的电机参数变化，具有一定的鲁棒性；通过分解可调模型的状态变量系数矩阵，相较于其它解决手段避免了时变系统复杂的极点配置问题，大大减小计算量，设计简单易于实现。

本发明所述的双馈感应发电机定子电流观测器构建方法不依赖于定子电流传感器的测量结果，对实际定子电流进行准确观测，当双馈感应发电机定子电流传感器发生故障时，所发明的定子电流观测器可替代传感器进行矢量控制，实现无定子电流传感器运行。

附图说明

图1为本发明公开的一种双馈感应发电机定子电流观测器构建方法流程图；

图2为本发明应用在带有定子电流检测系统容错控制策略的双馈风力发电机矢量控制系统整体框图；

图3为本发明的具体实施例中定子电流观测器i_ds稳态特性曲线；

图4为本发明的具体实施例中定子电流观测器i_ds动态特性曲线；

图5为本发明的具体实施例中定子电流检测系统容错控制时的故障信号监测和i_ds曲线。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案，用途及优点更加明确、清楚，以下结合附图并举实施例对本发明作进一步说明。应当指出，此处所述的具体实施例仅用作解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种双馈感应发电机定子电流观测器构建方法，包括以下步骤：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双馈感应发电机定子电流观测器构建方法，该方法简单易实现，不依赖于定子电流传感器的测量结果，且能够准确估计定子电流，当定子电流传感器发生故障时，有能力代替传感器输出进行容错控制，保障风力发电系统的稳定性。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明提供的一种双馈感应发电机定子电流观测器构建方法，包含以下步骤：

步骤1：忽略稳态时电机参数的变化，基于模型参考自适应系统设计思想，通过在同步旋转d-q轴系下建立双馈感应发电机理想数学模型，提取含定子电流为输入向量的转子电流状态空间方程作为参考模型；

所述步骤1具体如下：

以电动机惯例规定d-q等效电路电流方向，建立如式(1)所示的双馈感应发电机转子电流状态空间方程，以其作为参考模型；

式中，i_r＝[i_dr i_qr]^T为系统状态变量，i_s＝[i_ds i_qs]^T和u＝[u_ds u_qs u_dr u_qr]^T为系统输入向量，y为系统输出向量；i、u分别代表电流和电压，下标dr、qr、ds、qs分别代表直轴转子分量、交轴转子分量、直轴定子分量和交轴定子分量；

式(1)中，系数矩阵A、B、C、D具体如下：

C为待定矩阵；

式中，R_s，R_r分别为定、转子电阻；L_s,L_r分别为定、转子等效自感；L_m为定、转子等效励磁电感；ω_s为同步电角速度，ω_f为转差电角速度，ω_f＝ω_s-ω_r，其中ω_r为转子电角速度；σ为漏感系数，

步骤2：将参考模型中状态变量的时变系数矩阵分解为恒定矩阵和与转速相关的时变矩阵，以恒定矩阵作为转子电流观测器状态变量的系数矩阵，时变矩阵与转子电流实际值的乘积作为转子电流观测器的时变输入，然后按照线性定常系统极点配置方法配置状态观测器反馈增益矩阵，最终建立转子电流观测器的状态空间方程。该状态空间方程即构成以定子电流观测值作为可调参数的可调模型；

所述步骤2具体是：

步骤2.1：将式(1)状态变量系数矩阵A分解为恒定矩阵A₀和时变矩阵W：

步骤2.2：建立如式(3)所示的转子电流观测器状态空间方程即可调模型；

其中，上标^代表对应项观测值；定子电流观测值为可调参数；恒定矩阵A₀作为状态变量系数矩阵，时变矩阵W与转子电流向量的乘积作为转子电流观测器的时变输入；G为状态观测器反馈矩阵，根据A₀和C配置极点确定；

步骤3：根据Lyapunov稳定性理论构造目标函数，令其求导后所有含定子电流的项之和为0，整理得到定子电流观测值的微分方程组；然后将该微分方程组中不可测的实际定子电流微分项用步骤2所述状态空间方程中的状态变量微分项进行替换，替换后的上述微分方程组即构成步骤2中可调参数的自适应调节律；将由自适应调节律得到的定子电流观测值作为模型参考自适应系统的输出，最终构成所发明的定子电流观测器；

所述步骤3具体为：

步骤3.1：构造Lyapunov目标函数V：

其中，为转子电流残差；λ_ds和λ_qs为定义的动态响应调节系数，为正常数，数值根据实际模型选取；

显然V是恒大于0即为正定的，V对时间t求导可得：

根据Lyapunov稳定性理论，式(5)等式右边第一项易证明是负定的，后四项可视为定子电流估计误差给观测器系统稳定性带来的影响，令其为0即可保证V对时间的导数负定，使可调模型跟随参考模型；综上，化简并整理得到如(6)所示的关于定子电流观测值的微分方程组：

由于微分环节的滞后效应，式(4)中定子电流微分项不可测量，若忽略该项可能会影响观测器系统准确性，须对该项进行精度补偿；

根据双馈感应发电机数学模型：

其中p＝d/dt为微分算子；

由于一般感应电机定、转子漏感L_sσ、L_rσ相比定、转子等效励磁电感L_m非常小，而L_s＝L_m+L_sσ、L_r＝L_m+L_rσ，则近似有L_s≈L_r≈L_m，代入上述双馈感应发电机数学模型，整理得到定子电流微分项与转子电流微分项之间的近似关系：

以观测器的输出替代实际值，合理推出

步骤3.2：将式(6)中定子电流微分项用式(3)中转子电流微分项替换，得到最终的可调参数的自适应调节律，写成状态空间方程形式为：

式中，

步骤3.3：将由上述自适应调节律得到的定子电流观测值作为模型参考自适应系统的输出，最终构成所发明的定子电流观测器。

为验证所提方法的有效性，将本发明构造的定子电流观测器应用在图2所示的带有定子电流检测系统容错控制策略的双馈风力发电机矢量控制系统中进行仿真实验。首先对图2进行简单的说明：在基于电网电压定向的双馈风力发电机矢量控制的基础上，本发明所构造的定子电流观测器实时采集双馈风力发电机转子电流向量i_r,定、转子电压向量u,电角速度ω_r实时观测定子电流向量通过定子电流传感器的故障诊断及容错控制环节筛选实际输入矢量控制系统中的定子电流实现定子电流检测系统容错控制策略。

仿真实验中重要参数设置如下：系统采样周期Ts＝1e-5s；电网电压为380V三相交流电，工频50Hz，双PWM变换器直流母线电压稳定600V；双馈感应发电机参数为：额定功率3730VA，额定线电压460V，极对数4，R_s＝1.115Ω，R_r＝1.083Ω，L_sσ＝L_rσ＝0.005974H，L_m＝0.2037H；风轮机传动比1:3，叶片长度为2m,采用最佳叶尖速比法进行最大风能跟踪；定子电流传感器的故障诊断及容错控制环节初始状态为输出定子电流测量值即传感器采样值，为了避免起动时观测器收敛过程对阈值选取的影响，设置残差计算环节0.1s延时。

分别进行以下三个仿真实验：

实验一：恒风速下测试定子电流观测器稳态特性。实验中传感器保持正常工作，风速恒为6m/s，比较定子电流测量值和定子电流观测值，绘出如图3所示的定子电流观测器i_ds稳态特性曲线；

实验二：变风速下测试定子电流观测器动态特性。实验中传感器保持正常工作，采用阶跃信号模拟风速的变化，初始风速6m/s，在t＝0.2s时阶跃为8m/s,在t＝0.4s时阶跃为10m/s，比较定子电流测量值和定子电流观测值，绘出如图4所示的定子电流观测器i_ds动态特性曲线；

实验三：变风速下定子电流检测系统容错控制。实验中定子电流传感器采用A、B两相传感器，在实验二的基础上，设置t＝0.6s时A相传感器发生故障，t＝0.8s时B相传感器也发生故障，绘出如图5所示的故障信号监测和i_ds曲线。

如图3、图4分别为定子电流观测器i_ds稳态、动态特性曲线，结果表明本发明构造的定子电流观测器性能优越，跟踪精度高。

如图5为定子电流检测系统容错控制时的故障信号监测和i_ds曲线，结果表明，当定子电流传感器发生故障时，图2中的故障诊断及容错控制模块立即诊断故障并切换至定子电流观测器进行容错控制，使定子电流观测值几乎不受影响，保证了控制系统的稳定性，从而证明了本发明所构造的定子电流观测器不依赖于定子电流传感器的测量结果。

以上阐述的仅为本发明给出的一个较佳实施例，显然本发明不只是限于上述实施例，在不偏离本发明基本精神及不超出本发明实质内容所涉及范围的前提下对其可作种种变形加以实施。

Claims (4)

1.一种双馈感应发电机定子电流观测器构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：忽略稳态时电机参数的变化，基于模型参考自适应系统设计思想，通过在同步旋转d-q轴系下建立双馈感应发电机理想数学模型，提取含定子电流为输入向量的转子电流状态空间方程作为参考模型。

步骤2：将参考模型中状态变量的时变系数矩阵分解为恒定矩阵和与转速相关的时变矩阵，以恒定矩阵作为转子电流观测器状态变量的系数矩阵，时变矩阵与转子电流实际值的乘积作为转子电流观测器的时变输入，然后按照线性定常系统极点配置方法配置状态观测器反馈增益矩阵，最终建立转子电流观测器的状态空间方程。该状态空间方程即构成以定子电流观测值作为可调参数的可调模型。

步骤3：根据Lyapunov稳定性理论构造目标函数，令其求导后所有含定子电流的项之和为0，整理得到定子电流观测值的微分方程组；然后将该微分方程组中不可测的实际定子电流微分项用步骤2所述状态空间方程中的状态变量微分项进行替换，替换后的上述微分方程组即构成步骤2中可调参数的自适应调节律；将由自适应调节律得到的定子电流观测值作为模型参考自适应系统的输出，最终构成所发明的定子电流观测器。

2.如权利要求1所述的双馈感应发电机定子电流观测器构建方法，其特征在于，所述步骤1参考模型为：

式中，i_r＝[i_dr i_qr]^T为系统状态变量，i_s＝[i_ds i_qs]^T和u＝[u_ds u_qs u_dr u_qr]^T为系统输入向量，y为系统输出向量；i、u分别代表电流和电压，下标dr、qr、ds、qs分别代表直轴转子分量、交轴转子分量、直轴定子分量和交轴定子分量。

式(1)中，系数矩阵A、B、C、D具体如下：

C为待定矩阵。

式中，R_s，R_r分别为定、转子电阻；L_s,L_r分别为定、转子等效自感；L_m为定、转子等效励磁电感；ω_s为同步电角速度，ω_f为转差电角速度，ω_f＝ω_s-ω_r，其中ω_r为转子电角速度；为漏感系数。

3.如权利要求1或2所述的双馈感应发电机定子电流观测器构建方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：

步骤2.1：将式(1)状态变量系数矩阵A分解为恒定矩阵A₀和时变矩阵W：

步骤2.2：建立可调模型：

其中，上标^代表对应项观测值；定子电流观测值为可调参数；恒定矩阵A₀作为状态变量系数矩阵，时变矩阵W与转子电流向量的乘积作为转子电流观测器的时变输入；G为状态观测器反馈矩阵，根据A₀和C配置极点确定。

4.如权利要求1或2或3所述的双馈感应发电机定子电流观测器构建方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：

步骤3.1：构造目标函数V：

其中，为转子电流残差；λ_ds和λ_qs为定义的动态响应调节系数，为正常数，数值根据实际模型选取。

显然V是恒大于0即为正定的，V对时间t求导可得：

令式(5)中所有含定子电流的项即等式右边后四项之和为0，化简并整理得到如(6)所示的关于定子电流观测值的微分方程组：

步骤3.2：将式(6)中定子电流微分项用式(3)中转子电流微分项替换，得到最终的可调参数的自适应调节律，写成状态空间方程形式为：

式中，

步骤3.3：将由上述自适应调节律得到的定子电流观测值作为模型参考自适应系统的输出，最终构成所发明的定子电流观测器。