一种双馈风机寄生电容闭环控制方法与流程

本发明属于风力发电机组电气参数识别与轴电流抑制，具体涉及一种双馈风机寄生电容闭环控制方法。

背景技术：

1、随着风力发电技术的持续发展，双馈感应风力发电机因具有变速恒频运行能力、变流器容量相对较小、功率调节灵活等特点，已广泛应用于陆上风电场、海上风电场以及大型新能源并网系统中。在双馈风机运行过程中，转子侧通常通过pwm变流器进行励磁控制，以实现有功功率、无功功率及转速的协调调节。然而，pwm变流器在开关动作过程中会产生具有较高电压变化率的高频脉冲分量，该类高频分量容易在电机绕组、转子铁心、转轴、轴承和机壳之间形成复杂的共模电压耦合路径。当高频共模电压经由电机内部寄生电容耦合至转轴和轴承部位时，可能诱发轴电压和轴电流，进而造成轴承油膜击穿、滚道电蚀、润滑状态劣化以及轴承寿命降低等问题。因此，如何准确识别双馈风机内部寄生电容参数，并进一步利用该参数抑制轴电流，已成为双馈风机安全稳定运行中的重要技术问题。

2、从电磁场分布角度看，双馈风机内部至少存在转子绕组与机壳之间的寄生电容、转子绕组与转轴之间的寄生电容以及机壳与转轴之间的寄生电容；同时，机壳与转轴之间还存在与轴承油膜、接地状态及绝缘状态相关的等效阻抗。在传统分析中，上述寄生参数多被作为固定参数处理，或者采用平板电容近似模型进行估算。该类方法虽然计算过程较为简便，但难以真实反映双馈风机在启动、升速、恒速运行、变负荷运行、高温高湿运行以及长期服役老化条件下的动态变化特性。尤其是在实际运行中，机壳—转轴寄生电容不仅受温度、湿度和转速影响，还会受到轴承润滑油膜厚度、pwm高频载波频率、机壳振动、转子偏心、空气间隙变化以及绝缘材料老化等因素的共同作用，其变化规律具有明显的非线性和时变性。

3、现有技术中，部分方案虽然能够通过采集电压、电流、转速、温度、湿度等数据对寄生电容进行估计，或者通过非线性迭代算法拟合寄生电容与工况参数之间的关系，但该类方法通常仍停留在“电容数值计算”层面。一方面，其迭代求解过程缺少电磁场有限元先验约束，在传感器数据缺失、采样噪声增大或工况突变时，容易出现参数震荡、模型漂移或不符合物理规律的计算结果；另一方面，其未充分考虑风机长期运行后绝缘材料老化、轴承磨损、润滑油介电性能变化等因素对电容基准值造成的长期偏移，导致模型在长期服役场景下的适应能力不足。

4、此外，现有寄生电容计算结果通常未与风机控制系统形成有效闭环，即便能够获得较准确的寄生电容参数，也难以进一步用于逆变器pwm死区时间或开关频率的主动调节，无法根据实时轴电流风险对高频共模电压耦合路径进行主动抑制。同时，现有轴承状态监测多依赖温度、振动或轴电流阈值报警，缺少基于机壳—转轴寄生电容异常漂移、电容波动率及电流预测残差的绝缘性能预警准则，难以及时识别轴承绝缘油膜不稳定、局部击穿或绝缘性能退化等早期风险。对于轴电压补偿，现有方案多采用固定阻抗或固定接地支路，不能根据实时寄生电容和pwm高频频谱动态调整补偿支路的阻抗匹配关系，因而在复杂工况下容易出现补偿不足或补偿损耗偏大的问题。

5、为此，提出一种双馈风机寄生电容闭环控制方法。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种双馈风机寄生电容闭环控制方法。

2、本发明提供一种双馈风机寄生电容闭环控制方法，包括如下步骤：

3、s1：采集双馈风机在运行过程中的电气量、机械量、环境及服役状态量以及逆变器控制参数；并且，构建双馈风机寄生电容等效模型，确定转子绕组与机壳之间的寄生电容、转子绕组与转轴之间的寄生电容、机壳与转轴之间的寄生电容以及机壳与转轴之间的等效阻抗的电压—电流约束关系；

4、s2：根据所述电气量、机械量、环境及服役状态量和逆变器控制参数构建工况特征变量，并建立动态寄生电容计算模型；其中，所述动态寄生电容计算模型至少引入轴承润滑油膜动态厚度、pwm载波频率及其谐波分量对应的导体集肤效应、以及机壳振动引起的空气间隙调制量；

5、s3、基于电磁场有限元先验约束建立l-m迭代目标函数，并通过l-m迭代确定所述动态寄生电容计算模型的模型参数，以获得动态寄生电容与所述工况特征变量之间的非线性映射关系；

6、s4：根据转子侧三相电压或逆变器输出三相电压确定共模电压，并根据相邻采样点差分或多尺度采样分析确定共模电压变化率；以及，根据所述非线性映射关系实时计算动态寄生电容，并根据所述动态寄生电容、共模电压和共模电压变化率预测转轴电压和轴电流，构建轴电流风险指标；

7、s5：根据所述轴电流风险指标，执行逆变器pwm参数修正、轴承绝缘性能预警和轴电压主动补偿中的至少一种控制或诊断操作，并将执行所述控制或诊断操作后的转轴电压、轴电流和/或补偿响应结果作为下一采样周期的输入量，用于更新所述轴电流风险指标。

8、进一步地，在所述步骤s2中，所述机壳与转轴之间的寄生电容根据空气间隙层和润滑油膜层形成的串联介质通道确定，且按照如下关系计算：

9、

10、其中，为转轴半径，为有效耦合长度，为空气间隙，为润滑油膜动态厚度，为空气复介电常数，为润滑油复介电常数。

11、具体地，所述润滑油膜动态厚度根据润滑油动力黏度、转轴卷吸速度、等效弹性模量、轴承动态载荷、等效曲率半径和表面粗糙度修正项确定，且按照如下关系计算：

12、

13、

14、其中，为油膜空间分布修正系数，、、、为润滑模型参数，为等效曲率半径，为润滑油动力黏度，为转轴卷吸速度，为等效弹性模量，为压力黏度系数，为轴承动态载荷，为轴承接触形式修正项，为表面粗糙度修正项。

15、具体地，所述pwm载波频率及其谐波分量对应的导体集肤效应，通过pwm载波频率的各阶谐波分量对应的集肤深度和表面阻抗引入动态寄生电容计算过程；对于pwm载波频率的第阶谐波分量，其角频率为：

16、

17、转轴和机壳材料中的集肤深度分别为：

18、

19、并根据所述集肤深度确定高频表面阻抗，将所述高频表面阻抗与介质电容通道耦合，获得频率相关的等效寄生电容。

20、优选地，所述机壳振动引起的空气间隙调制量通过动态空气间隙引入的计算过程，所述动态空气间隙按照如下关系确定：

21、

22、其中，为静态空气间隙，、为转子偏心位移分量，为第阶机壳振动模态幅值，为对应振型函数，为振动频率，为相位；

23、并且，根据动态电容的变化率修正机壳与转轴之间的耦合电流，公式如下：

24、

25、其中，为机壳与转轴之间的电压。

26、具体地，所述步骤s3中，所述l-m迭代目标函数包括数据拟合项、有限元先验约束项、有限元灵敏度约束项、物理边界约束项和参数平滑约束项，并按照如下关系建立：

27、

28、其中，为数据拟合项，为有限元先验约束项，为有限元灵敏度约束项，为物理边界约束项，为参数平滑约束项，、、、为对应权重系数；

29、当采样窗口内的数据缺失率超过预设缺失率阈值，或者采样噪声方差超过预设噪声阈值时，提高所述有限元先验约束项的权重，并降低异常采样数据对应的数据拟合权重。

30、进一步地，所述方法还包括在线老化自适应修正步骤：

31、根据稳定运行窗口内的电流预测残差确定寄生电容的长期偏移趋势，并按照如下关系对寄生电容进行老化修正：

32、

33、其中，为老化修正后的寄生电容，为物理约束模型输出的寄生电容，为乘性老化修正系数，为加性基准偏移量，表示、或；

34、当转速变化率、温度变化率、湿度变化率和振动幅值均满足稳定工况条件，且电流预测残差在多个采样窗口内持续同向偏移时，更新所述乘性老化修正系数和加性基准偏移量。

35、进一步地，所述步骤s4中，采用多尺度采样分析确定共模电压变化率和/或转轴电压变化率，所述多尺度采样分析包括：

36、根据相邻采样点确定短尺度电压变化率；

37、根据第一预设采样间隔确定中尺度电压变化率；

38、根据第二预设采样间隔确定长尺度电压变化率；

39、根据短尺度电压变化率和长尺度电压变化率之间的差异确定瞬态强度因子；以及

40、根据所述瞬态强度因子分配短尺度、中尺度和长尺度对应的权重，并对不同尺度下的电压变化率进行加权融合，获得多尺度电压变化率。

41、更进一步地，所述逆变器pwm参数修正包括：

42、根据实时计算得到的动态寄生电容，以及由所述电气量确定的共模电压和根据相邻采样点差分或多尺度采样分析确定的共模电压变化率，预测轴电流和轴电压；

43、根据预测轴电流、预测轴电压以及动态寄生电容变化率构建轴电流风险指标；

44、当所述轴电流风险指标超过预设安全阈值时，在死区时间允许范围内修正pwm死区时间，和/或在开关频率允许范围内修正pwm开关频率；

45、其中，所述pwm死区时间和/或pwm开关频率的修正目标包括降低预测轴电流、降低预测轴电压、限制转矩脉动和限制输出电流谐波畸变。

46、具体地，所述轴承绝缘性能预警包括：根据当前温度、湿度、转速、润滑油膜动态厚度和机壳振动幅值确定同工况基准机壳—转轴寄生电容；根据实时机壳—转轴寄生电容与所述同工况基准机壳—转轴寄生电容之间的偏差，确定归一化电容偏差；根据相邻采样窗口内机壳—转轴寄生电容的变化量，确定电容波动率；根据所述归一化电容偏差、电容波动率和电流预测残差确定轴承绝缘性能预警等级；

47、所述轴电压主动补偿包括：当轴电压或轴电流风险超过补偿触发阈值时，根据实时机壳—转轴寄生电容和pwm载波频率及其谐波分量确定机壳—转轴高频耦合通道的等效导纳，并根据所述等效导纳调节补偿支路的等效电阻、等效电感和等效电容中的至少一种，使所述补偿支路在目标频率范围内与所述高频耦合通道形成阻抗匹配，以抑制转轴电压和轴承电流。

48、本发明的有益效果如下：

49、本发明将轴承润滑油膜动态厚度、pwm载波频率及其谐波分量对应的导体集肤效应、机壳振动引起的空气间隙调制量引入动态寄生电容计算过程，使寄生电容结果更符合双馈风机实际运行状态；并且，本发明在l-m迭代过程中引入电磁场有限元先验约束、灵敏度约束和物理边界约束，能够在数据缺失、噪声增大或工况突变时抑制参数震荡，提高动态寄生电容识别结果的可靠性；本发明通过在线老化自适应修正机制，对绝缘材料老化、润滑油介电性能变化、轴承磨损等因素引起的电容基准偏差进行补偿，使模型能够适应风机长期服役后的参数漂移；还可以根据实时动态寄生电容预测轴电压和轴电流，并据此修正pwm死区时间或开关频率，从而降低高频共模电压经寄生电容耦合形成轴电流的风险。