监测发电机的永磁体剩磁情况的方法及装置与流程

本发明总体说来涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的方法及装置。

背景技术：

随着全球范围内能源危机形势愈发明显，开发可再生能源已成为世界各国能源发展战略的重大举措。风能因其在全球范围内蕴藏量巨大、可再生、分布广、无污染等特性，使风力发电逐渐成为重要的能源角色。随着风力发电的大规模发展，风电总的装机容量越来越大。

风力发电机组的永磁同步发电机一般采用永磁体外转子、定子内置的方式，由于发电机的效率取决于永磁体的剩磁情况，而永磁体的剩磁情况难以监测，这导致不能对发电机的可靠性做出及时评估。

技术实现要素：

本发明的示例性实施例在于提供一种监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的方法及装置，其能够解决现有技术存在的不能便捷、准确地监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的问题。

根据本发明的示例性实施例，提供一种监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的方法，所述方法包括：(A)检测发电机空载运行时输出的电压；(B)基于检测到的电压确定所述发电机的电角速度；(C)根据检测到的电压和确定的电角速度来计算所述发电机的磁通量；(D)基于计算得到的磁通量确定所述发电机的永磁体剩磁情况。

可选地，所述步骤(A)包括：在控制风力发电机组停机之后，控制所述风力发电机组的机侧断路器断开，其中，所述机侧断路器闭合时所述风力发电机组并网；控制所述风力发电机组的叶片桨距角从停机角度调节至预设角度，以使所述发电机空载运行，其中，所述预设角度小于所述停机角度；在所述风力发电机组的叶片桨距角处于所述预设角度的情况下，检测所述发电机输出的电压。

可选地，所述步骤(A)包括：每隔预定时间间隔T检测发电机空载运行时输出的线电压；其中，所述步骤(B)包括：基于检测到的线电压，通过锁相环确定所述发电机的电角速度。

可选地，所述步骤(B)包括：(b1)基于θ(i)对U_ab(i)和U_bc(i)进行从三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换，以获取坐标变换后的电压在q轴的电压分量U_q(i)，其中，U_ab(i)和U_bc(i)指示第i次检测到的发电机输出的线电压，θ(i)指示在第i次检测线电压时发电机的转子的位置角，i的初始值为1，其中，两相同步旋转坐标系的d轴与所述发电机输出的电压的空间矢量方向相重合；(b2)通过下式计算所述发电机的电角速度ω(i)的值和θ(i)的值：

ω(i)＝ω(i-1)+k_{p_pll}*(U_{q_err}(i)-U_{q_err}(i-1))+k_{i_pll}*U_{q_err}(i)，θ(i)＝θ(i-1)+ω(i)*T，

其中，k_{p_pll}指示锁相环的比例调节系数，k_{i_pll}指示锁相环的积分调节系数，q轴电压分量偏差U_{q_err}(i)＝U_{q_ref}-U_q(i)，q轴电压分量的给定值U_{q_ref}＝0；

(b3)当满足预设条件时，将ω(i)的值确定为所述发电机的电角速度，当不满足预设条件时，令i＝i+1，然后返回执行步骤(b1)，其中，所述预设条件是：i等于第一预设值或U_{q_err}(i)的绝对值小于第二预设值。

可选地，所述步骤(C)包括：当将ω(i)的值确定为所述发电机的电角速度时，对所述发电机的线电压U_ab(i)、U_bc(i)和U_ca(i)三者的有效值取平均；根据得到的平均值和ω(i)的值来计算所述发电机的磁通量。

可选地，所述步骤(D)包括：当计算得到的磁通量与预设磁通量之间的比值超出预设范围时，确定所述发电机的永磁体剩磁情况异常。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的装置，其特征在于，所述装置包括：电压传感器，用于检测发电机空载运行时输出的电压；控制器，被配置为执行以下操作：基于检测到的电压确定所述发电机的电角速度；根据检测到的电压和确定的电角速度来计算所述发电机的磁通量；基于计算得到的磁通量确定所述发电机的永磁体剩磁情况。

可选地，所述控制器还被配置为执行以下操作：在控制风力发电机组停机之后，控制所述风力发电机组的机侧断路器断开，其中，所述机侧断路器闭合时所述风力发电机组并网；控制所述风力发电机组的叶片桨距角从停机角度调节至预设角度，以使所述发电机空载运行，其中，所述预设角度小于所述停机角度；在所述风力发电机组的叶片桨距角处于所述预设角度的情况下，控制所述电压传感器检测所述发电机输出的电压。

可选地，所述控制器还被配置为控制所述电压传感器每隔预定时间间隔T检测发电机空载运行时输出的线电压；其中，所述控制器被配置为基于检测到的线电压，通过锁相环确定所述发电机的电角速度。

可选地，所述控制器被配置为执行以下操作：基于θ(i)对U_ab(i)和U_bc(i)进行从三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换，以获取坐标变换后的电压在q轴的电压分量U_q(i)，其中，U_ab(i)和U_bc(i)指示第i次检测到的发电机输出的线电压，θ(i)指示在第i次检测线电压时发电机的转子的位置角，i的初始值为1，其中，两相同步旋转坐标系的d轴与所述发电机输出的电压的空间矢量方向相重合；通过下式计算所述发电机的电角速度ω(i)的值和θ(i)的值：

ω(i)＝ω(i-1)+k_{p_pll}*(U_{q_err}(i)-U_{q_err}(i-1))+k_{i_pll}*U_{q_err}(i)，θ(i)＝θ(i-1)+ω(i)*T，

其中，k_{p_pll}指示锁相环的比例调节系数，k_{i_pll}指示锁相环的积分调节系数，q轴电压分量偏差U_{q_err}(i)＝U_{q_ref}-U_q(i)，q轴电压分量的给定值U_{q_ref}＝0；

当满足预设条件时，将ω(i)的值确定为所述发电机的电角速度，当不满足预设条件时，令i＝i+1，然后返回执行基于θ(i)对U_ab(i)和U_bc(i)进行从三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换的操作，其中，所述预设条件是：i等于第一预设值或U_{q_err}(i)的绝对值小于第二预设值。

可选地，所述控制器被配置为执行以下操作：当将ω(i)的值确定为所述发电机的电角速度时，对所述发电机的线电压U_ab(i)、U_bc(i)和U_ca(i)三者的有效值取平均；根据得到的平均值和ω(i)的值来计算所述发电机的磁通量。

可选地，所述控制器被配置为当计算得到的磁通量与预设磁通量之间的比值超出预设范围时，确定所述发电机的永磁体剩磁情况异常。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的方法。

根据本发明示例性实施例的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的方法及装置，能够便捷、准确地监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况。

将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。

附图说明

通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的描述，本发明示例性实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出根据本发明示例性实施例的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的方法的流程图；

图2示出根据本发明示例性实施例的检测发电机空载运行时输出的电压的方法的流程图；

图3示出根据本发明示例性实施例的通过锁相环确定发电机的电角速度的方法的流程图；

图4示出根据本发明示例性实施例的通过锁相环确定发电机的电角速度的示例；

图5示出根据本发明示例性实施例的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的装置的框图；

图6示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的示例。

具体实施方式

现将详细参照本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本发明。

图1示出根据本发明示例性实施例的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的方法的流程图。作为示例，所述发电机可以是永磁同步发电机(PMSG)。

参照图1，在步骤S10，检测发电机空载运行时输出的电压。

作为示例，可每隔预定时间间隔T检测发电机空载运行时输出的电压，也即，电压检测周期为T。

作为示例，可检测发电机空载运行时输出的三相电的相电压或线电压。

作为示例，可通过电压传感器来检测发电机空载运行时输出的电压的瞬时值。例如，可通过电压传感器来检测发电机输出的三相电的线电压瞬时值U_ab和U_bc，其中，U_ab指示相线AB之间的电势差，U_bc指示相线BC之间的电势差。作为示例，电压传感器可设置在风力发电机组与机侧断路器之间。

作为示例，将结合图2来描述检测发电机空载运行时输出的电压的示例性实施例。

在步骤S20，基于检测到的电压确定发电机的电角速度。

应该理解，可使用各种适当的方式来基于检测到的电压确定发电机的电角速度。作为示例，可基于检测到的电压(例如，线电压)，通过锁相环确定发电机的电角速度。这里，作为示例，所述锁相环可通过计算机程序来实现。

作为示例，将结合图3和图4来描述通过锁相环确定发电机的电角速度的示例性实施例。

在步骤S30，根据检测到的电压和确定的电角速度来计算发电机的磁通量。

作为示例，可通过与确定的电角速度ω对应的检测到的相电压的峰值除以确定的电角速度ω来得到发电机的磁通量。作为示例，还可通过与确定的电角速度ω对应的检测到的三个相电压的峰值的平均值除以确定的电角速度ω来得到发电机的磁通量。

作为示例，当确定的电角速度ω对应的检测到的线电压为U_ab和U_bc时，可计算U_ab的有效值U_{ab_rms}、U_bc的有效值U_{bc_rms}和U_ca的有效值U_{ca_rms}，其中，U_ca＝-U_ab-U_bc。

然后，可通过等式(1)计算发电机的磁通量ψ_f：

其中，

在步骤S40，基于计算得到的磁通量确定发电机的永磁体剩磁情况。

作为示例，可当计算得到的磁通量与预设磁通量之间的比值超出预设范围时，确定发电机的永磁体剩磁情况异常。例如，该预设范围可为0.9至1.05。作为示例，预设磁通量可以是发电机出厂时的额定磁通量。

作为示例，根据本发明示例性实施例的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的方法还可包括：当确定发电机的永磁体剩磁情况异常时，提示用户。

图2示出根据本发明示例性实施例的检测发电机空载运行时输出的电压的方法的流程图。

参照图2，在步骤S101，在控制风力发电机组停机之后，控制风力发电机组的机侧断路器断开。应该理解，机侧断路器闭合时能够使风力发电机组并网，因此，在将机侧断路器断开之后，发电机与电网之间断开连接。

应该理解，风力发电机组停机时，叶片桨距角处于停机角度，例如，停机角度可为90度。

在步骤S102，控制风力发电机组的叶片桨距角从停机角度调节至预设角度，以使发电机转动，从而使发电机空载运行，其中，该预设角度小于停机角度。作为示例，可向变桨控制系统发送用于请求将叶片桨距角从停机角度调节至预设角度的消息，以使变桨控制系统将叶片桨距角从停机角度调节至预设角度。

在步骤S103，在风力发电机组的叶片桨距角处于该预设角度的情况下，检测发电机输出的电压。

图3示出根据本发明示例性实施例的通过锁相环确定发电机的电角速度的方法的流程图。

参照图3，在步骤S201，基于θ(i)对U_ab(i)和U_bc(i)进行从三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换，以获取坐标变换后的电压在q轴的电压分量U_q(i)。其中，U_ab(i)和U_bc(i)指示第i次检测到的发电机输出的线电压的瞬时值，θ(i)指示在第i次检测线电压时发电机的转子的位置角，i的初始值为1，其中，两相同步旋转坐标系的d轴与发电机输出的电压的空间矢量方向相重合。

作为示例，可先对U_ab(i)和U_bc(i)进行从三相静止坐标系到两相静止坐标系的第一坐标变换，以获取第一坐标变换后得到的电压在α轴的电压分量U_α(i)和在β轴的电压分量U_β(i)，然后对第一坐标变换后得到的电压进行从两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的第二坐标变换，以获取第二坐标变换后得到的电压在d轴的电压分量U_d(i)和在q轴的电压分量U_q(i)。

作为示例，可通过等式(2)来进行第一坐标变换，可通过等式(3)来进行第二坐标变换，

其中，θ(i)指示在第i次检测线电压时发电机的转子的位置角，

U_ab(i)指示第i次检测到的发电机的相线AB之间的线电压，

U_bc(i)指示第i次检测到的发电机的相线BC之间的线电压，

U_α(i)指示两相静止坐标系下α轴电压分量，

U_β(i)指示两相静止坐标系下β轴电压分量，

U_d(i)指示两相同步旋转坐标系下d轴电压分量，

U_q(i)指示两相同步旋转坐标系下q轴电压分量。

在步骤S202，通过等式(4)和等式(5)计算发电机的电角速度ω(i)的值和θ(i)的值：

ω(i)＝ω(i-1)+k_{p_pll}*(U_{q_err}(i)-U_{q_err}(i-1))+k_{i_pll}*U_{q_err}(i) (4)

θ(i)＝θ(i-1)+ω(i)*T (5)

其中，T指示电压检测周期，

ω(i)指示发电机的电角速度，

k_{p_pll}指示锁相环的比例调节系数，

k_{i_pll}指示锁相环的积分调节系数，

q轴电压分量偏差U_{q_err}(i)＝U_{q_ref}-U_q(i)，

由于使两相同步旋转坐标系的d轴与发电机输出的电压的空间矢量方向相重合，因此，将q轴电压分量的给定值U_{q_ref}设为0。

在步骤S203，检测是否满足预设条件。作为示例，所述预设条件可以是：i等于第一预设值，即，当检测电压的次数达到第一预设值时，停止迭代。

作为另一示例，所述预设条件可以是：U_{q_err}(i)的绝对值小于第二预设值，即，当q轴电压分量偏差的绝对值小于第二预设值时，停止迭代。

当在步骤S203确定满足该预设条件时，在步骤S204，将ω(i)的值确定为发电机的电角速度。

当在步骤S203确定不满足该预设条件时，在步骤S205，令i＝i+1，然后返回执行步骤S201。

作为示例，当在步骤S204将ω(i)的值确定为发电机的电角速度时，在步骤S30，可对发电机的线电压U_ab(i)、U_bc(i)和U_ca(i)三者的有效值取平均，并根据得到的平均值和ω(i)的值按照等式(1)来计算发电机的磁通量。

应该理解，在上述示例性实施例中，也可基于检测到的发电机空载运行时输出的三相电的相电压U_a(i)、U_b(i)和U_c(i)来计算发电机的电角速度ω(i)，本发明对此不作限制。

图4示出根据本发明示例性实施例的通过锁相环确定发电机的电角速度的示例。如图4所示，对检测到的线电压U_ab和U_bc进行从三相静止坐标系到两相静止坐标系的第一坐标变换，然后基于发电机的转子的位置角θ对第一坐标变换后得到的电压进行从两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的第二坐标变换，以获取第二坐标变换后得到的电压在q轴的电压分量U_q，将给定的U_{q_ref}与反馈的电压分量U_q之差通过PI调节器得到电角速度ω，对得到的ω积分后得到θ，其中，ω₀指示初始电角速度，应该理解，ω₀仅在第一次迭代时使用。

图5示出根据本发明示例性实施例的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的装置的框图。

如图5所示，根据本发明示例性实施例的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的装置包括：电压传感器10和控制器20。

具体说来，电压传感器10用于检测发电机空载运行时输出的电压。

控制器20被配置为执行以下操作：基于检测到的电压确定所述发电机的电角速度；根据检测到的电压和确定的电角速度来计算所述发电机的磁通量；基于计算得到的磁通量确定所述发电机的永磁体剩磁情况。

控制器20还可被配置为执行以下操作：在控制风力发电机组停机之后，控制风力发电机组的机侧断路器断开，其中，机侧断路器闭合时风力发电机组并网；控制风力发电机组的叶片桨距角从停机角度调节至预设角度，以使发电机空载运行，其中，所述预设角度小于停机角度；在风力发电机组的叶片桨距角处于所述预设角度的情况下，控制电压传感器10检测发电机输出的电压。

作为示例，控制器20可被配置为控制电压传感器10每隔预定时间间隔T检测发电机空载运行时输出的线电压。

作为示例，控制器20可被配置为基于检测到的线电压，通过锁相环确定发电机的电角速度。

控制器20可被配置为执行以下操作：(b1)基于θ(i)对U_ab(i)和U_bc(i)进行从三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换，以获取坐标变换后的电压在q轴的电压分量U_q(i)，其中，U_ab(i)和U_bc(i)指示第i次检测到的发电机输出的线电压，θ(i)指示在第i次检测线电压时发电机的转子的位置角，i的初始值为1，其中，两相同步旋转坐标系的d轴与发电机输出的电压的空间矢量方向相重合；(b2)通过等式(4)和等式(5)来计算发电机的电角速度ω(i)的值和θ(i)的值；(b3)当满足预设条件时，将ω(i)的值确定为发电机的电角速度，当不满足预设条件时，令i＝i+1，然后返回执行操作(b1)。

作为示例，预设条件可以是：i等于第一预设值或U_{q_err}(i)的绝对值小于第二预设值。

作为示例，控制器20可被配置为执行以下操作：当将ω(i)的值确定为发电机的电角速度时，对发电机的线电压U_ab(i)、U_bc(i)和U_ca(i)三者的有效值取平均；根据得到的平均值和ω(i)的值来计算发电机的磁通量。

作为示例，控制器20可被配置为当计算得到的磁通量与预设磁通量之间的比值超出预设范围时，确定发电机的永磁体剩磁情况异常。

应该理解，根据本发明示例性实施例的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的装置的具体实现方式可参照结合图1至图4描述的相关具体实现方式来实现，在此不再赘述。

图6示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的示例。如图6所示，电压传感器可设置在发电机与机侧断路器之间。应该理解，根据本发明示例性实施例的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的方法可由变流器控制器来执行，也可由变流器控制器和风力发电机组的主控制系统控制器来协同执行，本发明对此不作限制。

根据本发明的示例性实施例的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当该计算机程序被处理器执行时实现上述示例性实施例所述的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的方法。

此外，应该理解，根据本发明示例性实施例的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的装置中的各个单元可被实现硬件组件和/或软件组件。本领域技术人员根据限定的各个单元所执行的处理，可以例如使用现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)来实现各个单元。

此外，根据本发明示例性实施例的监测风力发电机组的发电机的永磁体剩磁情况的方法可以被实现为计算机可读记录介质中的计算机代码。本领域技术人员可以根据对上述方法的描述来实现所述计算机代码。当所述计算机代码在计算机中被执行时实现本发明的上述方法。

虽然已表示和描述了本发明的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。