一种双馈风力发电机定子匝间短路负序电流抑制方法与流程

本发明涉及一种双馈电机故障容错方法，尤其是涉及一种双馈电机定子绕组匝间短路故障定子负序电流抑制方法。

背景技术：

近年环境问题日益严重，清洁能源备受关注，风力发电已经成为新能源应用的主要方式。随着海上风电技术的发展，远海、深水、大规模海上风电场已经成为海上风电发展的一个主要趋势。大容量、远离岸距离的海上风电机组具有故障率高、故障维修困难、故障停运损失大等特点，使得风电机组在深远海恶劣环境下的安全稳定运行问题越发受到关注。海上风电机组的容错运行已成为近期风力发电技术领域国内外关注的重要课题。

双馈电机(DFIG)已成为海上发电机的主流机型之一，其容错技术已取得部分研究成果。海洋恶劣环境使双馈电机绕组绝缘面临巨大考验，定、转子绕组开路短路是最主要的电气故障，但长期以来，绝大多数研究工作集中在故障诊断、冗余备份式容错以及传感器或桨距调节等方面容错，缺乏对电机内部故障的深入研究。而内部故障的容错研究对实验设备要求较高，绕组内部故障容错问题一直得不到根本解决，也成为当今严重制约海上双馈机组故障容错技术发展的瓶颈。

定子绕组匝间短路约占定子故障的50％，是双馈电机常见的电气故障之一。目前已有其他种类电机的绕组短路控制研究。作者王晓琳等人在电工技术学报发表的题名为短路容错控制在多相无轴承永磁同步电机中的可行性分析的文章，在通过重构非故障相定子电流，解决了多相无轴承永磁薄片电机绕组开路短路容错控制问题。Jeong I等人在IEEE Transactions on Power Electronics上发表的题名为Dynamic Modeling and Control for SPMSMs With Internal Turn Short Fault的文章，针对表贴式永磁电机匝间短路故障采用正负序双电流环控制，有效降低故障后定子电流的负序分量，作者魏书荣等人在电力系统自动化上发表题名为海上双馈风力发电机组开路故障容错重构技术的文章，表明目前单相开路故障具有较好的容错效果。而受实验条件限制，对绕组短路故障容错的研究则相对较少。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使双馈风力发电机在发生定子匝间短路故障后仍能够稳定运行的双馈风力发电机定子匝间短路负序电流抑制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种双馈风力发电机定子匝间短路负序电流抑制方法，该方法包括如下步骤：

(1)获取定子输出功率，采用定子磁链定向矢量控制确定转子三相电压给定参考量；

(2)获取定子负序电流、转子负序电流和转子电压，并输入至负序电流控制器，负序电流控制器输出用于抑制定子负序电流的转子三相电压补偿量；

(3)求取转子三相电压参考量和转子三相电压补偿量之和得出转子三相电压参考终值，采用三相电压参考终值控制转子侧变频器。

所述的负序电流控制器为：

其中，为负序旋转轴系中的d轴转子电压补偿量，为负序旋转轴系中的q轴转子电压补偿量，为负序旋转轴系中的d轴转子电压，为负序旋转轴系中的q轴转子电压，为负序旋转轴系中d轴定子负序电流，为负序旋转轴系中q轴定子负序电流，为负序旋转轴系中d轴定子负序电流参考值，为负序旋转轴系中q轴定子负序电流参考值，为负序旋转轴系中d轴转子负序电流，为负序旋转轴系中q轴转子负序电流，PI₁、PI₂、PI₃和PI₄均为PI控制参数。

步骤(2)中定子负序电流和转子负序电流通过如下方式获取：

(201)采集定子三相电流和转子三相电流；

(202)对定子三相电流和转子三相电流分别在负序旋转轴系下进行负序旋转变换，得到负序旋转轴系中的d轴定子电流、q轴定子电流、d轴转子电流和q轴转子电流；

(203)依次滤除d轴定子电流、q轴定子电流、d轴转子电流和q轴转子电流中的二倍频交流量得到负序旋转轴系中的d轴定子负序电流、q轴定子负序电流、d轴转子负序电流和q轴转子负序电流。

步骤(3)中通过陷波器滤除各电流中的二倍频交流量。

所述的陷波器为二阶陷波器，其闭环传递函数具体为：

其中，ω_c为截止角频率，ω_c＝2ω，ω为电流角频率，σ为滤波系数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明在现有的定子磁链定向矢量控制的基础上加上负序电流控制器，当双馈风力发电机定子匝间短路时定子电流产生负序分量，通过电流控制器产生转子三相电压补偿量并将转子三相电压补偿量注入转子侧，从而消除定子电流中的负序分量，使定子电流趋于对称，从而抑制故障时定子的输出功率脉动，改善电能质量，使DFIG仍能够平稳发电运行，抑制效果好；

(2)本发明方法无需添加任何硬件控制电路，控制简单。

附图说明

图1为双馈电机定子绕组a相匝间短路示意图；

图2为本发明双馈风力发电机定子匝间短路负序电流抑制方法的控制框图；

图3本发明方法仿真结果波形图；

图4为实验平台结构图；

图5为实验平台中定子绕组电气原理图；

图6为本发明方法实验结果波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，假设双馈电机定子绕组为“Y”形连接，电机A相绕组发生匝间短路故障，故障的严重程度用μ表示，μ表示短路匝数与该相总匝数的比值。图1中，as₁和as₂分别代表正常绕组和故障部分绕组，R_f代表过渡电阻，故障早期R_f较大，故障轻微，随着时间推移，故障加重R_f趋近于零。基于故障机理建模，采用电动机惯例，可对故障电机方程描述如下：

其中，U_s＝[u_as u_bs u_cs]^T为定子绕组电压矩阵，U_r＝[u_ar u_br u_cr]^T为转子绕组电压矩阵，I_s＝[i_as i_bs i_cs]^T为定子绕组电流矩阵，I_r＝[i_ar i_br i_cr]^T为转子绕组电流矩阵，R_s＝R_sdiag[1 1 1]为定子绕组电阻矩阵，R_r＝R_rdiag[1 1 1]为转子绕组电阻矩阵，ψ_s＝[ψ_as ψ_bsψ_cs]^T为定子绕组磁链矩阵，ψ_r＝[ψ_ar ψ_br ψ_cr]^T为转子绕组磁链矩阵。

A₁＝-[R_s 0 0]^T，A₂＝[-(L_ls+L_ms) L_ms/2 L_ms/2]^T，

A₃＝-L_ms[cosθ_r cos(θ_r+2π/3) cos(θ_r-2π/3)]^T；

p为微分算子，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_ls为定子绕组漏感，L_lr为转子绕组漏感，L_ms为定转子互感值，i_f为短路环电流，θ_r为转子空间位置角。

当电机发生故障时，绕组不再对称，需考虑故障绕组对负序模型的影响。定、转子均采用电动机惯例，则在负序同步旋转坐标系下，结合式(1)和式(2)，对其做负序同步dq旋转变换，可得在负序同步旋转轴系下DFIG的故障数学模型中电压与磁链方程如式(3)。

式中上标“-”代表负序旋转轴系，负序同步旋转轴系下定子电压，负序同步旋转轴系下转子电压，负序同步旋转轴系下定子磁链，负序同步旋转轴系下转子磁链，L_s＝L_ls+3L_ms/2、L_r＝L_lr+3L_ms/2、L_m＝3L_ms/2、ω为同步角频率，ω_s＝-(2-s)ω，s为双馈电机转差率，由式(3)对正负序量分离可进一步得出负序轴系下的负序电压与负序磁链的表达式：

式中下标“-”代表负序分量，负序同步旋转轴系下定子电压负序分量，负序同步旋转轴系下转子电压负序分量，负序同步旋转轴系下定子磁链负序分量，负序同步旋转轴系下转子磁链负序分量。

正序分量在同步旋转坐标系下为直流量，负序则为二倍频交流量，在负序旋转轴系中，正序分量是2倍频率的的交流量，而负序电流则为直流量。以定子电流为例，电机定子绕组采用星型连接，且中性点无外接电路，可以认为不存在零序电流。如式(5)所示，三相定子电流i_as、i_bs、i_cs可以用正负序电流表示，其中i₀₊和i_0-分别为定子正序电流幅值和定子负序电流幅值。而如式(6)所示，定子三相电流经过负序旋转变换，在负序旋转轴系中得到负序旋转轴系中d轴定子负序电流和负序旋转轴系中q轴定子负序电流负序电流对应为直流分量而正序电流对应二倍频交流量。

为了抑制双馈风力发电机定子匝间故障后的负序电流，本发明一种双馈风力发电机定子匝间短路负序电流抑制方法，该方法包括如下步骤：

(1)获取定子输出功率，采用定子磁链定向矢量控制确定转子三相电压参考量；

(2)获取定子负序电流、转子负序电流和转子电压，并输入至负序电流控制器，负序电流控制器输出用于抑制定子负序电流的转子三相电压补偿量；

(3)求取转子三相电压参考量和转子三相电压补偿量之和得出转子三相电压参考终值，采用三相电压参考终值控制转子侧变频器。

具体的控制框图如图2所示。其中步骤(1)中定子磁链定向矢量控制为现有控制方法，其中ΔU_rd、ΔU_rq分别为转子侧为消除转子电压、电流交叉耦合的补偿项,通过编码器的到转子空间位置角θ_r，并由三相定子电压U_sabc和定子三相电流I_sabc计算得出定子磁链相角θ_s，P_s、Q_s、和分别为定子输出有功功率与无功功率的实测值和参考值。首先对定子电压电流采样，计算得到实际定子输出功率，采用定子磁链定向矢量控制实现电机功率解耦和最大风能追踪控制。当发电机不发生故障时，可以实现电机正常运行。

负序电流控制器为：

其中，为负序旋转轴系中的d轴转子三相电压补偿量，为负序旋转轴系中的q轴转子三相电压补偿量，为负序旋转轴系中的d轴转子电压，为负序旋转轴系中的q轴转子电压，结合式(4)可得和为负序旋转轴系中d轴定子负序电流，为负序旋转轴系中q轴定子负序电流，为负序旋转轴系中d轴定子负序电流参考值，为负序旋转轴系中q轴定子负序电流参考值，为负序旋转轴系中d轴转子负序电流，为负序旋转轴系中q轴转子负序电流，PI₁、PI₂、PI₃和PI₄均为PI控制参数。

步骤(2)中定子负序电流和转子负序电流通过如下方式获取：

(201)采集定子三相电流和转子三相电流；

(202)对定子三相电流和转子三相电流分别在负序旋转轴系下进行负序旋转变换，得到负序旋转轴系中的d轴定子电流、q轴定子电流、d轴转子电流和q轴转子电流；

(203)依次滤除d轴定子电流、q轴定子电流、d轴转子电流和q轴转子电流中的二倍频交流量得到负序旋转轴系中的d轴定子负序电流、q轴定子负序电流、d轴转子负序电流和q轴转子负序电流。

步骤(3)中通过陷波器滤除各电流中的二倍频交流量。

所述的陷波器为二阶陷波器，其闭环传递函数具体为：

其中，ω_c为截止角频率，ω_c＝2ω，ω为电流角频率，σ为滤波系数。

当电机发生故障时，负序电流抑制控制器。控制器中负序电流的提取可以先将二倍频的交流量滤除掉，得到的直流量则为负序旋转轴系下的负序电流。在传统定子磁链定向矢量控制的基础上添加负序电流控制器，在转子侧注入谐波电压，该方法旨在消除定子电流中的负序分量，使定子电流趋于对称,从而抑制故障时定子的输出功率脉动，改善电能质量，使DFIG仍能够平稳发电运行。

对施加控制策略前后的功率以及电流波形进行了仿真，仿真参数如表1所示，给定有功功率为P＝5.5kW，无功功率Q＝0var，短路系数μ＝0.05，仿真结果如图3所示。图3(a)为定子输出有功功率波形图，图3(b)为定子负序电流幅值波形图，图3(c)三相定子电流波形图，图3(d)为定子匝间短路环电流波形图，为由图3(a)、(b)可以看出，电机正常运行时，定子输出有功功率平稳，定子负序电流幅值趋近于零，当定子绕组发生匝间短路故障时，定子输出有功功率会产生较大脉动，定子负序电流幅值明显增大，图3(c)显示故障前后定子电流的畸变，以及抑制负序电流对定子电流波形的改善效果，图3(d)显示定子匝间短路环电流无明显变化。

表1双馈电机参数

仿真结果表明，采用定子负序电流抑制措施后，定子输出有功功率脉动极大减小，定子负序电流幅值缩减约为原有1/4，定子电流波形明显改善，畸变程度减小。

结合MATLAB/Simulink构建基于dSPACE1007的DFIG半实物仿真平台。实验平台包括模拟风机的原动机、模拟定子绕组匝间短路故障的双馈异步电机、风力机控制屏、转子侧变频器控制屏、网侧变频器控制屏、并网控制屏、模拟故障屏、dSPACE1007和计算机等部分组成。图4为实验平台结构图。图5所示为定子绕组电气原理图，从定子中性点往端部，引出不同匝数的抽头，不同位置的抽头短接可以模拟不同程度的故障。例如将A1与Y抽头短接，可模拟定子匝间短路数为9匝(4.69％)的单相匝间短路故障。

并网电压为380V，双馈电机转速1144rpm，故障端子选择A1、Y(9匝，0.0469)。参数与表1一致。考虑到故障对电双馈电机出力的影响以及为了保护实验设备，给定有功率为2700W，无功功率为0。实验结果如图6所示。

图6(a)为定子负序电流幅值波形图，正常并网发电时，受电机轻微固有不对称和电网电压质量的影响，存在微小的负序电流，在t＝1.5s时发生定子匝间短路故障，负序电流幅值突然增大，当t＝4s时施加负序电流控制策略，负序电流幅值明显减小。图6(b)为定子输出有功功率波形图，在正常工况运行时，定子输出有功功率较平稳，发生故障时脉动明显，加入负序电流抑制的容错控制策略后，定子输出有功功率脉动大幅减小。图6(c)为三相定子电流波形图，从其局部放大图可以看出1.5s故障后，三相定子电流发生严重畸变，负序电流控制环启动后，三相定子电流趋于正常，图6(d)为实验时定子匝间短路环电流波形图，由于将抽头直接短接，过渡电阻为零，因而电流较大。

仿真和实验证明，该策略可以有效的抑制定子侧输出功率脉动，减小定子故障时的负序电流，从而减小电机内部损耗，。对海上双馈电机的早期定子绕组匝间故障起到了抑制作用，可以使双馈电机仍能够"跛行"发电，对未来海上风力发电机容错控制技术的发展具有借鉴意义。