双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法
【专利摘要】双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，属于电气控制领域。它是为了解决双馈风电系统的定转子电流信号检测系统发生故障后影响整个系统的可靠性的问题。本发明所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，在双馈风力发电机电压和磁链方程的基础上推导电流状态方程，根据模型参考自适应理论建立了定转子电流观测器；通过分析观测器状态变量输出误差，然后比较电流各相观测值和实际值找出传感器故障具体来源。本发明基于模型参考自适应理论，电流观测值不依赖于相应的传感器采样值，提高了故障判断的快速性和准确性。本发明适用于为双馈风力发电机定转子电流信号检测系统进行故障判断。
【专利说明】双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于电气控制领域。
【背景技术】
[0002]双馈电机的定转子均和电网相连接，既可作为发电机运行，也可作为电动机运行。作为风力发电机使用时，双馈电机定子绕组通常与电网直接相连，转子绕组通过变流器与电网相连，变流器为转子提供幅值、频率、相位可调的交流电源，如图1所示。双馈风力发电机组属于变速恒频发电机组，具有运行范围宽、风能转换效率高、输出功率平稳和机械应力低等优点，而且通过矢量变换和矢量定向控制技术，能实现定子输出有功功率和无功功率的独立解耦控制，提高了电力系统的灵活性和动、静态稳定性，是目前应用最为广泛的风力发电机组类型。
[0003]随着风电场的发电容量增大以及海上风电场规模扩大,对双馈风力发电系统的可靠性有了更高的要求。双馈风电系统的可靠性取决于信号检测系统、控制系统及电气系统等的稳定运行。但是由于风电系统的信号检测系统包括传感器采样，信号调理以及AD采样及相关信号传输等中间环节，这就造成双馈风电系统长期工作过程中，不可避免的会发生电流、电压等信号检测系统故障问题。因此判断故障的有无和位置极其重要，而且只有快速确定故障是否发生、故障的确切位置并且及时替换故障信号才能增强风电系统的稳定性。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决双馈风电系统的定转子电流信号检测系统发生故障后影响整个系统的可靠性的问题，现提供双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法。
[0005]双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，该方法包括:
[0006]步骤一:分别采集双馈发电机的定子电压信号Us ab。、定子电流信号is ab。、转子电流信号ab。和转子电压控制信号Uyq ；
[0007]步骤二:对定子电压信号Us ab。进行Clark变换，获得静止两相坐标系下定子电压信号Us a β，对该静止两相坐标系下定子电压信号Us α 0进行Park变换，获得同步旋转坐标系下定子电压信号us—dq ；
[0008]对定子电流信号is ab。进行Clark变换，获得静止两相坐标系下的定子电流信号is ，对该静止两相坐标系下定子电流信号is—ae进行Park变换，获得同步旋转坐标系下定
子电流信号is d(1;
[0009]对转子电流信号L abe进行Clark变换，获得静止两相坐标系下转子电流信号L ，对该静止两相坐标系下转子电流信号进行Park变换，获得同步旋转坐标系下转
子电流信号dq ;
[0010]步骤三:将同步旋转坐标系下定子电流信号is dq和同步旋转坐标系下转子电流信号i⑶作为状态变量，将同步旋转坐标系下定子电压信号Us dq和转子电压控制信号IVdq作为定转子输入变量，根据双馈电机电压方程和磁链方程，建立定转子电流离散状态方程；
[0011]步骤四:利用定转子离散时间状态方程并结合降阶观测器设计理论，分别建立定子电流观测器和转子电流观测器，
[0012] 利用定子电流观测器获得同步旋转坐标系下定子电流观测值ξ^ ,
[0013]利用转子电流观测器获得同步旋转坐标系下转子电流观测值?
[0014]步骤五:根据定子电流预测方程获得定子电流预测值i' s dq，根据转子电流预测方程获得转子电流预测值i, r_dq,根据同步旋转坐标系下定子电流信号is—dq、同步旋转坐标系下转子电流信号iy,、同步旋转坐标系下定子电流预测值i, s—dq和同步旋转坐标系下转子电流预测值i' r_dq,获得定子电流信号检测系统故障差值Res和转子电流信号检测系统故障差值Rot ；
[0015]步骤六:将定子电流信号检测系统故障差值Res与转子电流信号检测系统故障差值Rct作差，获得差值信息R。，根据同步旋转坐标系下的定子电流预测值i, s—dq和同步旋转坐标系下的转子电流预测值i, r_dq与相应的实际值的稳态误差确定差值信息R。的判断阈值+ δ和-η，并将差值信息R。分别与判断阈值+ δ和-η进行比较，
[0016]当R。> + δ时，则双馈风力发电机的定子电流信号检测系统发生故障，然后执行步骤七；
[0017]当R。< _r时，则双馈风力发电机的转子电流信号检测系统发生故障，然后执行步骤八；
[0018]步骤七:将同步旋转坐标系下定子电流观测值进行反坐标变换，获得静止三相坐标系下定子A相电流观测值i和定子B相电流观测值& ;同时采集静止三相坐标系下定子A相电流实际值isa和定子B相电流实际值isb ；
[0019]将|? -Li与定子A相电流阈值δ Sa进行比较，当|? -L|大于定子A相电流阈值时，则定子A相电流信号检测系统发生故障；其中，定子A相电流阈值Ssa为静止三相坐标系下定子A相电流观测值L与静止三相坐标系下定子A相电流实际值isa稳态误差的最大值；
[0020]将|?Λ -4>|与定子B相电流阈值δ sb进行比较，当Iil4 -?Λ|大于定子B相电流阈值时，则定子B相电流信号检测系统发生故障；其中，定子B相电流阈值Ssb为静止三相坐标系下定子B相电流观测值^与静止三相坐标系下定子B相电流实际值isb稳态误差的最大值；
[0021]步骤八:将同步旋转坐标系下的转子电流观测值t 进行反坐标变换，获得静止三相坐标系下的转子A相电流观测值和转子B相电流观测值L ’同时采集静止三相坐标系下转子A相电流实际值iM和转子B相电流实际值iA ；
[0022]将|? 与转子A相电流阈值δ ra进行比较，当|4 -乙|大于转子A相电流阈值时，则转子A相电流信号检测系统发生故障；其中，转子A相电流阈值δΜ为静止三相坐标系下转子A相电流观测值与静止三相坐标系下转子A相电流实际值ira稳态误差的最大值；
[0023]将乙j与转子B相电流阈值δ rb进行比较，当丨‘ 大于转子B相电流阈值时，则转子B相电流信号检测系统发生故障；其中，转子B相电流阈值Srt为静止三相坐标系下转子B相电流观测值^与静止三相坐标系下转子B相电流实际值ira稳态误差的最大值。
[0024]本发明所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，故障判断信号来自于观测器模型和实测的状态变量偏差的模，信号检测系统故障时能够快速得到故障判断信号；定、转子电流观测值能够作为电流信号检测系统故障时的冗余信号用于控制系统，为信号检测系统故障时的容错控制提供基础，能够实时观测双馈风力发电机定转子电流实际值，增加双馈风电系统的可靠性；且定、转子电流观测值分别和定、转子电流信号检测系统获得的测量值之间相互独立，提高了电流观测器的准确性。本发明适用于为双馈风力发电机定转子电流信号检测系统进行故障判断。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为双馈风力发电机在实际应用中的控制系统框图；
[0026]图2为【具体实施方式】四所述的建立定子电流观测器的原理示意图；
[0027]图3为【具体实施方式】五所述的建立转子电流观测器的原理示意图； [0028]图4为步骤六中对电流信号检测系统故障进行判断的原理示意图；
[0029]图5为步骤七中对定子电流信号检测系统故障进行判断的原理示意图；
[0030]图6为步骤八中对转子电流信号检测系统故障进行判断的原理示意图。
【具体实施方式】
[0031]【具体实施方式】一:参照图4、5和6具体说明本实施方式，本实施方式所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，该方法包括:
[0032]步骤一:分别采集双馈发电机的定子电压信号Us ab。、定子电流信号is ab。、转子电流信号ab。和转子电压控制信号Uyq ；
[0033]步骤二:对定子电压信号Us ab。进行Clark变换，获得静止两相坐标系下定子电压信号Us a β，对该静止两相坐标系下定子电压信号Us α 0进行Park变换，获得同步旋转坐标系下定子电压信号us—dq ；
[0034]对定子电流信号is ab。进行Clark变换，获得静止两相坐标系下的定子电流信号is ，对该静止两相坐标系下定子电流信号is—ae进行Park变换，获得同步旋转坐标系下定
子电流信号is—dq ;
[0035]对转子电流信号L ab。进行Clark变换，获得静止两相坐标系下转子电流信号L ，对该静止两相坐标系下转子电流信号进行Park变换，获得同步旋转坐标系下转
子电流信号dq ;
[0036]步骤三:将同步旋转坐标系下定子电流信号is dq和同步旋转坐标系下转子电流信号i⑶作为状态变量，将同步旋转坐标系下定子电压信号us dq和转子电压控制信号U1^1作为定转子输入变量，根据双馈电机电压方程和磁链方程，建立定转子电流离散状态方程；
[0037]步骤四:利用定转子离散时间状态方程并结合降阶观测器设计理论，分别建立定子电流观测器和转子电流观测器，
[0038]利用定子电流观测器获得同步旋转坐标系下定子电流观测值
[0039]利用转子电流观测器获得同步旋转坐标系下转子电流观测值?[0040]步骤五:根据定子电流预测方程获得定子电流预测值i' s dq，根据转子电流预测方程获得转子电流预测值i, r_dq,根据同步旋转坐标系下定子电流信号is—dq、同步旋转坐标系下转子电流信号iy,、同步旋转坐标系下定子电流预测值i, s—dq和同步旋转坐标系下转子电流预测值i' r_dq,获得定子电流信号检测系统故障差值Res和转子电流信号检测系统故障差值Rot ；
[0041]步骤六:将定子电流信号检测系统故障差值Res与转子电流信号检测系统故障差值Rct作差，获得差值信息R。，根据同步旋转坐标系下的定子电流预测值i, s—dq和同步旋转坐标系下的转子电流预测值i, r_dq与相应的实际值的稳态误差确定差值信息R。的判断阈值+ δ和-η，并将差值信息R。分别与判断阈值+ δ和-η进行比较，
[0042]当R。> + δ时，则双馈风力发电机的定子电流信号检测系统发生故障，然后执行步骤七；
[0043]当R。< - η时，则双馈风力发电机的转子电流信号检测系统发生故障，然后执行步骤八；
[0044]步骤七:将同步旋转坐标系下定子电流观测值(>进行反坐标变换，获得静止三相坐标系下定子A相电流观测值L和定子B相电流观测值L ;同时采集静止三相坐标系下定子A相电流实际值isa和定子B相电流实际值isb ；
[0045]将卜-乙j与定子A相电流阈值δ sa进行比较，当‘-乙丨大于定子A相电流阈值时，则定子A相电流信号检测系统发生故障；其中，定子A相电流阈值Ssa为静止三相坐标系下定子A相电流观测值^与静止三相坐标系下定子A相电流实际值isa稳态误差的最大值；
[0046]将Iif1-ξ6|与定子B相电流阈值δ sb进行比较，当Iflll 大于定子B相电流阈值时，则定子B相电流信号检测系统发生故障；其中，定子B相电流阈值Ssb为静止三相坐标系下定子B相电流观测值L与静止三相坐标系下定子B相电流实际值isb稳态误差的最大值；
[0047]步骤八:将同步旋转坐标系下的转子电流观测值I *进行反坐标变换，获得静止三相坐标系下的转子A相电流观测值i和转子B相电流观测值，同时采集静止三相坐标系下转子A相电流实际值iM和转子B相电流实际值iA ；
[0048]将|/ra -乙j与转子A相电流阈值δ 进行比较，当|im -/L|大于转子A相电流阈值时，则转子A相电流信号检测系统发生故障；其中，转子A相电流阈值δΜ为静止三相坐标系下转子A相电流观测值i与静止三相坐标系下转子A相电流实际值ira稳态误差的最大值；
[0049]将|/Λ% -L|与转子B相电流阈值δ rb进行比较，当|irf, -大于转子B相电流阈值时，则转子B相电流信号检测系统发生故障；其中，转子B相电流阈值Srt为静止三相坐标系下转子B相电流观测值与静止三相坐标系下转子B相电流实际值ira稳态误差的最大值。
[0050]本实施方式步骤一中，所述定子电压信号Us ab。通过双馈发电机定子绕组的定子电压信号检测系统获得；所述定子电流信号is abc通过定子电流信号检测系统获得；所述转子电流信号h—ab。通过转子电流信号检测系统获得；所述转子电压控制信号Uyq通过转子变流器PWM控制模块获得。
[0051] 步骤六中,R。是一个正负波动量,取其稳态最大为+ δ，最小为- η作为阈值,在故障条件下得到的R。不在这一范围内，所以可以判断定子故障还是转子故障。
[0052]【具体实施方式】二:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中所述双馈电机电压方程为:
【权利要求】
1.双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，该方法包括: 步骤一:分别采集双馈发电机的定子电压信号Us ab。、定子电流信号is ab。、转子电流信号Λ。和转子电压控制信号Uj.—dq ; 步骤二:对定子电压信号Us ab。进行Clark变换，获得静止两相坐标系下定子电压信号Us ae,对该静止两相坐标系下定子电压信号Us α 0进行Park变换，获得同步旋转坐标系下定子电压信号Us dq; 对定子电流信号is—ab。进行Clark变换，获得静止两相坐标系下的定子电流信号is—α0，对该静止两相坐标系下定子电流信号is—ae进行Park变换，获得同步旋转坐标系下定子电流信号is—# ; 对转子电流信号h—ab。进行Clark变换，获得静止两相坐标系下转子电流信号α0，对该静止两相坐标系下转子电流信号h—ae进行Park变换，获得同步旋转坐标系下转子电流信号ir dq ； 步骤三:将同步旋转坐标系下定子电流信号is—dq和同步旋转坐标系下转子电流信号ir_dq作为状态变量，将同步旋转坐标系下定子电压信号Us dq和转子电压控制信号U1^1作为定转子输入变量，根据双馈电机电压方程和磁链方程，建立定转子电流离散状态方程；步骤四:利用定转子离散时间状态方程并结合降阶观测器设计理论，分别建立定子电流观测器和转子电流观测器， 利用定子电流观测器获得同步旋转坐标系下定子电流观测值 利用转子电流观测器获得同步旋转坐标系下转子电流观测值 步骤五:根据定子电流预测方程获得定子电流预测值P s—dq，根据转子电流预测方程获得转子电流预测值i , r_dq,根据同步旋转坐标系下定子电流信号is—dq、同步旋转坐标系下转子电流信号iy,、同步旋转坐标系下定子电流预测值P s—dq和同步旋转坐标系下转子电流预测值i ' r_dq,获得定子电流信号检测系统故障差值Res和转子电流信号检测系统故障差值Rot ; 步骤六:将定子电流信号检测系统故障差值Res与转子电流信号检测系统故障差值Rot作差，获得差值信息R。，根据同步旋转坐标系下的定子电流预测值P s—dq和同步旋转坐标系下的转子电流预测值P 与相应的实际值的稳态误差确定差值信息R。的判断阈值+ δ和-η，并将差值信息R。分别与判断阈值+ δ和-η进行比较， 当R。> + δ时，则双馈风力发电机的定子电流信号检测系统发生故障，然后执行步骤七； 当R。< - η时，则双馈风力发电机的转子电流信号检测系统发生故障，然后执行步骤八； 步骤七:将同步旋转坐标系下定子电流观测值1#进行反坐标变换，获得静止三相坐标系下定子A相电流观测值ζβ和定子B相电流观测值4 f同时采集静止三相坐标系下定子A相电流实际值isa和定子B相电流实际值isb ； 将|? 与定子A相电流阈值δ sa进行比较，当-大于定子A相电流阈值时，则定子A相电流信号检测系统发生故障；其中，定子A相电流阈值Ssa为静止三相坐标系下定子A相电流观测值与静止三相坐标系下定子A相电流实际值isa稳态误差的最大值； 将I‘ _乙|与定子B相电流阈值δ sb进行比较，当大于定子B相电流阈值时，则定子B相电流信号检测系统发生故障；其中，定子B相电流阈值Ssb为静止三相坐标系下定子B相电流观测值与静止三相坐标系下定子B相电流实际值isb稳态误差的最大值； 步骤八:将同步旋转坐标系下的转子电流观测值1#进行反坐标变换，获得静止三相坐标系下的转子A相电流观测值和转子B相电流观测值& ,同时采集静止三相坐标系下转子A相电流实际值iM和转子B相电流实际值iA ； 将与转子A相电流阈值δ ra进行比较，当|‘ -fra|大于转子A相电流阈值时，则转子A相电流信号检测系统发生故障；其中，转子A相电流阈值3?为静止三相坐标系下转子A相电流观测值I与静止三相坐标系下转子A相电流实际值ira稳态误差的最大值； 将-LI与转子B相电流阈值δ rb进行比较，当大于转子B相电流阈值时，则转子B相电流信号检测系统发生故障；其中，转子B相电流阈值3^为静止三相坐标系下转子B相电流观测值Iril与静止三相坐标系下转子B相电流实际值ira稳态误差的最大值。
2.根据权利要求1所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，步骤三中所述双馈电机电压方程为:
3.根据权利要求2所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，步骤三中所述定转子电流离散状态方程为:
i(k+l) = Adi (k) +Bdu (k)
式中，i(k) = [isd iS(1 ird ir(1]T 为状态变量，u(k) = [usd uS(1 urd U1Jt 为输入变量；k 为正整数;Ad为状态方程状态变量系数矩阵，Bd为状态方程输入变量系数矩阵，且有:
4.根据权利要求3所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，步骤四所述建立定子电流观测器的方法为: 将定转子电流离散状态方程的状态变量i(k)分为不可直接测量的部分is(k)和可直接测量的部分i Jk)，并将定转子电流离散状态方程改写为分块形式:
5.根据权利要求4所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，步骤四所述建立转子电流观测器的方法为: 将定转子电流离散状态方程的状态变量i(k)分为不可直接测量的部分ijk)和可直接测量的部分为is(k)，并将定转子电流离散状态方程改写为:
6.根据权利要求5所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，步骤五中所述根据定子电流预测方程获得定子电流预测值i, s—dq，根据转子电流预测方程获得转子电流预测值i' r_dq的方法为: 根据kT时刻的定、转子电压和电流对(k+l)T时刻的定、转子电流进行预测，预测方程为:
i,[ (k+1) T] =Adi(kT)+Bdu (kT) 其中，i' = [i'sdi'sqi'rdi'rq]τ为定、转子电流的预测值；T为系统采样周期。
7.根据权利要求6所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，步骤五所述定子电流信号检测系统故障差值Res和转子电流信号检测系统故障差值Rot分别为:
8.根据权利要求7所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，所述差值信息R。为:
R。 Res Rer。
【文档编号】G01R35/00GK103995245SQ201410255473
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】张学广, 陈辉, 马彦, 段大坤, 徐殿国 申请人:哈尔滨工业大学