雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法
【專利摘要】雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，屬于電氣控制領域。它是為了解決雙饋風電系統的定轉子電流信號檢測系統發生故障后影響整個系統的可靠性的問題。本發明所述的雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，在雙饋風力發電機電壓和磁鏈方程的基礎上推導電流狀態方程，根據模型參考自適應理論建立了定轉子電流觀測器；通過分析觀測器狀態變量輸出誤差，然后比較電流各相觀測值和實際值找出傳感器故障具體來源。本發明基于模型參考自適應理論，電流觀測值不依賴于相應的傳感器采樣值，提高了故障判斷的快速性和準確性。本發明適用于為雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統進行故障判斷。
【專利說明】雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于電氣控制領域。
【背景技術】
[0002]雙饋電機的定轉子均和電網相連接，既可作為發電機運行，也可作為電動機運行。作為風力發電機使用時，雙饋電機定子繞組通常與電網直接相連，轉子繞組通過變流器與電網相連，變流器為轉子提供幅值、頻率、相位可調的交流電源，如圖1所示。雙饋風力發電機組屬于變速恒頻發電機組，具有運行范圍寬、風能轉換效率高、輸出功率平穩和機械應力低等優點，而且通過矢量變換和矢量定向控制技術，能實現定子輸出有功功率和無功功率的獨立解耦控制，提高了電力系統的靈活性和動、靜態穩定性，是目前應用最為廣泛的風力發電機組類型。
[0003]隨著風電場的發電容量增大以及海上風電場規模擴大,對雙饋風力發電系統的可靠性有了更高的要求。雙饋風電系統的可靠性取決于信號檢測系統、控制系統及電氣系統等的穩定運行。但是由于風電系統的信號檢測系統包括傳感器采樣，信號調理以及AD采樣及相關信號傳輸等中間環節，這就造成雙饋風電系統長期工作過程中，不可避免的會發生電流、電壓等信號檢測系統故障問題。因此判斷故障的有無和位置極其重要，而且只有快速確定故障是否發生、故障的確切位置并且及時替換故障信號才能增強風電系統的穩定性。
【發明內容】
[0004]本發明是為了解決雙饋風電系統的定轉子電流信號檢測系統發生故障后影響整個系統的可靠性的問題，現提供雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法。
[0005]雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，該方法包括:
[0006]步驟一:分別采集雙饋發電機的定子電壓信號Us ab。、定子電流信號is ab。、轉子電流信號ab。和轉子電壓控制信號Uyq ；
[0007]步驟二:對定子電壓信號Us ab。進行Clark變換，獲得靜止兩相坐標系下定子電壓信號Us a β，對該靜止兩相坐標系下定子電壓信號Us α 0進行Park變換，獲得同步旋轉坐標系下定子電壓信號us—dq ；
[0008]對定子電流信號is ab。進行Clark變換，獲得靜止兩相坐標系下的定子電流信號is ，對該靜止兩相坐標系下定子電流信號is—ae進行Park變換，獲得同步旋轉坐標系下定
子電流信號is d(1;
[0009]對轉子電流信號L abe進行Clark變換，獲得靜止兩相坐標系下轉子電流信號L ，對該靜止兩相坐標系下轉子電流信號進行Park變換，獲得同步旋轉坐標系下轉
子電流信號dq ;
[0010]步驟三:將同步旋轉坐標系下定子電流信號is dq和同步旋轉坐標系下轉子電流信號i⑶作為狀態變量，將同步旋轉坐標系下定子電壓信號Us dq和轉子電壓控制信號IVdq作為定轉子輸入變量，根據雙饋電機電壓方程和磁鏈方程，建立定轉子電流離散狀態方程；
[0011]步驟四:利用定轉子離散時間狀態方程并結合降階觀測器設計理論，分別建立定子電流觀測器和轉子電流觀測器，
[0012] 利用定子電流觀測器獲得同步旋轉坐標系下定子電流觀測值ξ^ ,
[0013]利用轉子電流觀測器獲得同步旋轉坐標系下轉子電流觀測值?
[0014]步驟五:根據定子電流預測方程獲得定子電流預測值i' s dq，根據轉子電流預測方程獲得轉子電流預測值i, r_dq,根據同步旋轉坐標系下定子電流信號is—dq、同步旋轉坐標系下轉子電流信號iy,、同步旋轉坐標系下定子電流預測值i, s—dq和同步旋轉坐標系下轉子電流預測值i' r_dq,獲得定子電流信號檢測系統故障差值Res和轉子電流信號檢測系統故障差值Rot ；
[0015]步驟六:將定子電流信號檢測系統故障差值Res與轉子電流信號檢測系統故障差值Rct作差，獲得差值信息R。，根據同步旋轉坐標系下的定子電流預測值i, s—dq和同步旋轉坐標系下的轉子電流預測值i, r_dq與相應的實際值的穩態誤差確定差值信息R。的判斷閾值+ δ和-η，并將差值信息R。分別與判斷閾值+ δ和-η進行比較，
[0016]當R。> + δ時，則雙饋風力發電機的定子電流信號檢測系統發生故障，然后執行步驟七；
[0017]當R。< _r時，則雙饋風力發電機的轉子電流信號檢測系統發生故障，然后執行步驟八；
[0018]步驟七:將同步旋轉坐標系下定子電流觀測值進行反坐標變換，獲得靜止三相坐標系下定子A相電流觀測值i和定子B相電流觀測值& ;同時采集靜止三相坐標系下定子A相電流實際值isa和定子B相電流實際值isb ；
[0019]將|? -Li與定子A相電流閾值δ Sa進行比較，當|? -L|大于定子A相電流閾值時，則定子A相電流信號檢測系統發生故障；其中，定子A相電流閾值Ssa為靜止三相坐標系下定子A相電流觀測值L與靜止三相坐標系下定子A相電流實際值isa穩態誤差的最大值；
[0020]將|?Λ -4>|與定子B相電流閾值δ sb進行比較，當Iil4 -?Λ|大于定子B相電流閾值時，則定子B相電流信號檢測系統發生故障；其中，定子B相電流閾值Ssb為靜止三相坐標系下定子B相電流觀測值^與靜止三相坐標系下定子B相電流實際值isb穩態誤差的最大值；
[0021]步驟八:將同步旋轉坐標系下的轉子電流觀測值t 進行反坐標變換，獲得靜止三相坐標系下的轉子A相電流觀測值和轉子B相電流觀測值L ’同時采集靜止三相坐標系下轉子A相電流實際值iM和轉子B相電流實際值iA ；
[0022]將|? 與轉子A相電流閾值δ ra進行比較，當|4 -乙|大于轉子A相電流閾值時，則轉子A相電流信號檢測系統發生故障；其中，轉子A相電流閾值δΜ為靜止三相坐標系下轉子A相電流觀測值與靜止三相坐標系下轉子A相電流實際值ira穩態誤差的最大值；
[0023]將乙j與轉子B相電流閾值δ rb進行比較，當丨‘ 大于轉子B相電流閾值時，則轉子B相電流信號檢測系統發生故障；其中，轉子B相電流閾值Srt為靜止三相坐標系下轉子B相電流觀測值^與靜止三相坐標系下轉子B相電流實際值ira穩態誤差的最大值。
[0024]本發明所述的雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，故障判斷信號來自于觀測器模型和實測的狀態變量偏差的模，信號檢測系統故障時能夠快速得到故障判斷信號；定、轉子電流觀測值能夠作為電流信號檢測系統故障時的冗余信號用于控制系統，為信號檢測系統故障時的容錯控制提供基礎，能夠實時觀測雙饋風力發電機定轉子電流實際值，增加雙饋風電系統的可靠性；且定、轉子電流觀測值分別和定、轉子電流信號檢測系統獲得的測量值之間相互獨立，提高了電流觀測器的準確性。本發明適用于為雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統進行故障判斷。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為雙饋風力發電機在實際應用中的控制系統框圖；
[0026]圖2為【具體實施方式】四所述的建立定子電流觀測器的原理示意圖；
[0027]圖3為【具體實施方式】五所述的建立轉子電流觀測器的原理示意圖； [0028]圖4為步驟六中對電流信號檢測系統故障進行判斷的原理示意圖；
[0029]圖5為步驟七中對定子電流信號檢測系統故障進行判斷的原理示意圖；
[0030]圖6為步驟八中對轉子電流信號檢測系統故障進行判斷的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0031]【具體實施方式】一:參照圖4、5和6具體說明本實施方式，本實施方式所述的雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，該方法包括:
[0032]步驟一:分別采集雙饋發電機的定子電壓信號Us ab。、定子電流信號is ab。、轉子電流信號ab。和轉子電壓控制信號Uyq ；
[0033]步驟二:對定子電壓信號Us ab。進行Clark變換，獲得靜止兩相坐標系下定子電壓信號Us a β，對該靜止兩相坐標系下定子電壓信號Us α 0進行Park變換，獲得同步旋轉坐標系下定子電壓信號us—dq ；
[0034]對定子電流信號is ab。進行Clark變換，獲得靜止兩相坐標系下的定子電流信號is ，對該靜止兩相坐標系下定子電流信號is—ae進行Park變換，獲得同步旋轉坐標系下定
子電流信號is—dq ;
[0035]對轉子電流信號L ab。進行Clark變換，獲得靜止兩相坐標系下轉子電流信號L ，對該靜止兩相坐標系下轉子電流信號進行Park變換，獲得同步旋轉坐標系下轉
子電流信號dq ;
[0036]步驟三:將同步旋轉坐標系下定子電流信號is dq和同步旋轉坐標系下轉子電流信號i⑶作為狀態變量，將同步旋轉坐標系下定子電壓信號us dq和轉子電壓控制信號U1^1作為定轉子輸入變量，根據雙饋電機電壓方程和磁鏈方程，建立定轉子電流離散狀態方程；
[0037]步驟四:利用定轉子離散時間狀態方程并結合降階觀測器設計理論，分別建立定子電流觀測器和轉子電流觀測器，
[0038]利用定子電流觀測器獲得同步旋轉坐標系下定子電流觀測值
[0039]利用轉子電流觀測器獲得同步旋轉坐標系下轉子電流觀測值?[0040]步驟五:根據定子電流預測方程獲得定子電流預測值i' s dq，根據轉子電流預測方程獲得轉子電流預測值i, r_dq,根據同步旋轉坐標系下定子電流信號is—dq、同步旋轉坐標系下轉子電流信號iy,、同步旋轉坐標系下定子電流預測值i, s—dq和同步旋轉坐標系下轉子電流預測值i' r_dq,獲得定子電流信號檢測系統故障差值Res和轉子電流信號檢測系統故障差值Rot ；
[0041]步驟六:將定子電流信號檢測系統故障差值Res與轉子電流信號檢測系統故障差值Rct作差，獲得差值信息R。，根據同步旋轉坐標系下的定子電流預測值i, s—dq和同步旋轉坐標系下的轉子電流預測值i, r_dq與相應的實際值的穩態誤差確定差值信息R。的判斷閾值+ δ和-η，并將差值信息R。分別與判斷閾值+ δ和-η進行比較，
[0042]當R。> + δ時，則雙饋風力發電機的定子電流信號檢測系統發生故障，然后執行步驟七；
[0043]當R。< - η時，則雙饋風力發電機的轉子電流信號檢測系統發生故障，然后執行步驟八；
[0044]步驟七:將同步旋轉坐標系下定子電流觀測值(>進行反坐標變換，獲得靜止三相坐標系下定子A相電流觀測值L和定子B相電流觀測值L ;同時采集靜止三相坐標系下定子A相電流實際值isa和定子B相電流實際值isb ；
[0045]將卜-乙j與定子A相電流閾值δ sa進行比較，當‘-乙丨大于定子A相電流閾值時，則定子A相電流信號檢測系統發生故障；其中，定子A相電流閾值Ssa為靜止三相坐標系下定子A相電流觀測值^與靜止三相坐標系下定子A相電流實際值isa穩態誤差的最大值；
[0046]將Iif1-ξ6|與定子B相電流閾值δ sb進行比較，當Iflll 大于定子B相電流閾值時，則定子B相電流信號檢測系統發生故障；其中，定子B相電流閾值Ssb為靜止三相坐標系下定子B相電流觀測值L與靜止三相坐標系下定子B相電流實際值isb穩態誤差的最大值；
[0047]步驟八:將同步旋轉坐標系下的轉子電流觀測值I *進行反坐標變換，獲得靜止三相坐標系下的轉子A相電流觀測值i和轉子B相電流觀測值，同時采集靜止三相坐標系下轉子A相電流實際值iM和轉子B相電流實際值iA ；
[0048]將|/ra -乙j與轉子A相電流閾值δ 進行比較，當|im -/L|大于轉子A相電流閾值時，則轉子A相電流信號檢測系統發生故障；其中，轉子A相電流閾值δΜ為靜止三相坐標系下轉子A相電流觀測值i與靜止三相坐標系下轉子A相電流實際值ira穩態誤差的最大值；
[0049]將|/Λ% -L|與轉子B相電流閾值δ rb進行比較，當|irf, -大于轉子B相電流閾值時，則轉子B相電流信號檢測系統發生故障；其中，轉子B相電流閾值Srt為靜止三相坐標系下轉子B相電流觀測值與靜止三相坐標系下轉子B相電流實際值ira穩態誤差的最大值。
[0050]本實施方式步驟一中，所述定子電壓信號Us ab。通過雙饋發電機定子繞組的定子電壓信號檢測系統獲得；所述定子電流信號is abc通過定子電流信號檢測系統獲得；所述轉子電流信號h—ab。通過轉子電流信號檢測系統獲得；所述轉子電壓控制信號Uyq通過轉子變流器PWM控制模塊獲得。
[0051] 步驟六中,R。是一個正負波動量,取其穩態最大為+ δ，最小為- η作為閾值,在故障條件下得到的R。不在這一范圍內，所以可以判斷定子故障還是轉子故障。
[0052]【具體實施方式】二:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法作進一步說明，本實施方式中，步驟三中所述雙饋電機電壓方程為:
【權利要求】
1.雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，其特征在于，該方法包括: 步驟一:分別采集雙饋發電機的定子電壓信號Us ab。、定子電流信號is ab。、轉子電流信號Λ。和轉子電壓控制信號Uj.—dq ; 步驟二:對定子電壓信號Us ab。進行Clark變換，獲得靜止兩相坐標系下定子電壓信號Us ae,對該靜止兩相坐標系下定子電壓信號Us α 0進行Park變換，獲得同步旋轉坐標系下定子電壓信號Us dq; 對定子電流信號is—ab。進行Clark變換，獲得靜止兩相坐標系下的定子電流信號is—α0，對該靜止兩相坐標系下定子電流信號is—ae進行Park變換，獲得同步旋轉坐標系下定子電流信號is—# ; 對轉子電流信號h—ab。進行Clark變換，獲得靜止兩相坐標系下轉子電流信號α0，對該靜止兩相坐標系下轉子電流信號h—ae進行Park變換，獲得同步旋轉坐標系下轉子電流信號ir dq ； 步驟三:將同步旋轉坐標系下定子電流信號is—dq和同步旋轉坐標系下轉子電流信號ir_dq作為狀態變量，將同步旋轉坐標系下定子電壓信號Us dq和轉子電壓控制信號U1^1作為定轉子輸入變量，根據雙饋電機電壓方程和磁鏈方程，建立定轉子電流離散狀態方程；步驟四:利用定轉子離散時間狀態方程并結合降階觀測器設計理論，分別建立定子電流觀測器和轉子電流觀測器， 利用定子電流觀測器獲得同步旋轉坐標系下定子電流觀測值 利用轉子電流觀測器獲得同步旋轉坐標系下轉子電流觀測值 步驟五:根據定子電流預測方程獲得定子電流預測值P s—dq，根據轉子電流預測方程獲得轉子電流預測值i , r_dq,根據同步旋轉坐標系下定子電流信號is—dq、同步旋轉坐標系下轉子電流信號iy,、同步旋轉坐標系下定子電流預測值P s—dq和同步旋轉坐標系下轉子電流預測值i ' r_dq,獲得定子電流信號檢測系統故障差值Res和轉子電流信號檢測系統故障差值Rot ; 步驟六:將定子電流信號檢測系統故障差值Res與轉子電流信號檢測系統故障差值Rot作差，獲得差值信息R。，根據同步旋轉坐標系下的定子電流預測值P s—dq和同步旋轉坐標系下的轉子電流預測值P 與相應的實際值的穩態誤差確定差值信息R。的判斷閾值+ δ和-η，并將差值信息R。分別與判斷閾值+ δ和-η進行比較， 當R。> + δ時，則雙饋風力發電機的定子電流信號檢測系統發生故障，然后執行步驟七； 當R。< - η時，則雙饋風力發電機的轉子電流信號檢測系統發生故障，然后執行步驟八； 步驟七:將同步旋轉坐標系下定子電流觀測值1#進行反坐標變換，獲得靜止三相坐標系下定子A相電流觀測值ζβ和定子B相電流觀測值4 f同時采集靜止三相坐標系下定子A相電流實際值isa和定子B相電流實際值isb ； 將|? 與定子A相電流閾值δ sa進行比較，當-大于定子A相電流閾值時，則定子A相電流信號檢測系統發生故障；其中，定子A相電流閾值Ssa為靜止三相坐標系下定子A相電流觀測值與靜止三相坐標系下定子A相電流實際值isa穩態誤差的最大值； 將I‘ _乙|與定子B相電流閾值δ sb進行比較，當大于定子B相電流閾值時，則定子B相電流信號檢測系統發生故障；其中，定子B相電流閾值Ssb為靜止三相坐標系下定子B相電流觀測值與靜止三相坐標系下定子B相電流實際值isb穩態誤差的最大值； 步驟八:將同步旋轉坐標系下的轉子電流觀測值1#進行反坐標變換，獲得靜止三相坐標系下的轉子A相電流觀測值和轉子B相電流觀測值& ,同時采集靜止三相坐標系下轉子A相電流實際值iM和轉子B相電流實際值iA ； 將與轉子A相電流閾值δ ra進行比較，當|‘ -fra|大于轉子A相電流閾值時，則轉子A相電流信號檢測系統發生故障；其中，轉子A相電流閾值3?為靜止三相坐標系下轉子A相電流觀測值I與靜止三相坐標系下轉子A相電流實際值ira穩態誤差的最大值； 將-LI與轉子B相電流閾值δ rb進行比較，當大于轉子B相電流閾值時，則轉子B相電流信號檢測系統發生故障；其中，轉子B相電流閾值3^為靜止三相坐標系下轉子B相電流觀測值Iril與靜止三相坐標系下轉子B相電流實際值ira穩態誤差的最大值。
2.根據權利要求1所述的雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，其特征在于，步驟三中所述雙饋電機電壓方程為:
3.根據權利要求2所述的雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，其特征在于，步驟三中所述定轉子電流離散狀態方程為:
i(k+l) = Adi (k) +Bdu (k)
式中，i(k) = [isd iS(1 ird ir(1]T 為狀態變量，u(k) = [usd uS(1 urd U1Jt 為輸入變量；k 為正整數;Ad為狀態方程狀態變量系數矩陣，Bd為狀態方程輸入變量系數矩陣，且有:
4.根據權利要求3所述的雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，其特征在于，步驟四所述建立定子電流觀測器的方法為: 將定轉子電流離散狀態方程的狀態變量i(k)分為不可直接測量的部分is(k)和可直接測量的部分i Jk)，并將定轉子電流離散狀態方程改寫為分塊形式:
5.根據權利要求4所述的雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，其特征在于，步驟四所述建立轉子電流觀測器的方法為: 將定轉子電流離散狀態方程的狀態變量i(k)分為不可直接測量的部分ijk)和可直接測量的部分為is(k)，并將定轉子電流離散狀態方程改寫為:
6.根據權利要求5所述的雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，其特征在于，步驟五中所述根據定子電流預測方程獲得定子電流預測值i, s—dq，根據轉子電流預測方程獲得轉子電流預測值i' r_dq的方法為: 根據kT時刻的定、轉子電壓和電流對(k+l)T時刻的定、轉子電流進行預測，預測方程為:
i,[ (k+1) T] =Adi(kT)+Bdu (kT) 其中，i' = [i'sdi'sqi'rdi'rq]τ為定、轉子電流的預測值；T為系統采樣周期。
7.根據權利要求6所述的雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，其特征在于，步驟五所述定子電流信號檢測系統故障差值Res和轉子電流信號檢測系統故障差值Rot分別為:
8.根據權利要求7所述的雙饋風力發電機定轉子電流信號檢測系統的故障判斷方法，其特征在于，所述差值信息R。為:
R。 Res Rer。
【文檔編號】G01R35/00GK103995245SQ201410255473
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】張學廣, 陳輝, 馬彥, 段大坤, 徐殿國 申請人:哈爾濱工業大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
