用于双馈发电机的电机转速计算方法及装置与流程

1.本发明涉及双馈发电机控制技术领域，具体地说，涉及一种用于双馈发电机的电机转速计算方法及装置。


背景技术：

2.风力发电作为一种无污染、利用可再生资源的环保型发电方式，成为最具发展潜力的可再生能源技术之一。已成为世界各国竞相发展的热点和重点，市场前景广阔。近年来，双馈感应发电机(doubly fed inductiongenerator，dfig)在风力发电系统中得到广泛应用。
3.现有技术中，在网压故障以及crowbar电路导通时对双馈发电机转速、发电机位置角的估算属于一大难题，为了解决双馈发电机编码器故障率高以及降低整机成本，提高整机风资源利用率的问题，需要更高效以及更加精准的对双馈发电机的转速进行估算。
4.因此，本发明提供了一种用于双馈发电机的电机转速计算方法及装置。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种用于双馈发电机的电机转速计算方法，所述方法包含以下步骤：
6.实时检测电网电压u
abc
、定子电压u
sabc
、定子电流i
sabc
、转子电流i
rabc
，并实时检测定子接触器反馈信号，判断所述反馈信号是否为真；
7.若所述反馈信号为真，通过基于定子电压模型参考自适应的速度计算方法计算得到所述双馈发电机的转子位置角；
8.若所述反馈信号不为真，且网压不平度小于等于第一阈值以及转差小于等于第二阈值，则通过基于转子电流模型参考自适应的速度计算方法计算得到所述双馈发电机的转子位置角，否则，通过整机齿轮箱低速轴的速度计算方法计算得到所述双馈发电机的转子位置角；
9.将计算得到的转子位置角选择作为所述双馈发电机的控制变量。
10.根据本发明的一个实施例，所述方法还包含：
11.对所述电网电压u
abc
进行abc/dq变换，得到电网电压d、q轴分量u
ld
、u
lq
，经过锁相环后得到电网角速度ω1以及电网位置信息θ1；
12.对所述定子电压u
sabc
进行abc/dq变换，得到定子电压d、q轴分量u
sd
、u
sq
；
13.对所述定子电流i
sabc
进行abc/dq变换，得到定子电流d、q轴分量i
sd
、i
sq
；
14.对所述转子电流i
rabc
进行abc/dq变换，得到转子电流d、q轴分量i
rd
、i
rq
。
15.根据本发明的一个实施例，通过基于定子电压模型参考自适应的速度计算方法计算得到所述双馈发电机的转子位置角的步骤中，具体包含以下步骤：
16.建立包含所述双馈发电机转速信息的定子电压自适应模型以及定子电压参考模型；
17.利用所述定子电压自适应模型以及所述定子电压参考模型输出的差值，通过自适应器来输出转差角速度ω
δ
，经过积分后得到转差角θ
δ
。
18.根据本发明的一个实施例，所述定子电压自适应模型如下式：
19.u
sd
＝r
s
i
sd-ω1l
s
i
sq-ω1l
m
i
rq
20.其中，r
s
表示定子电阻，l
s
表示定子漏感，l
m
表示绕组互感。
21.根据本发明的一个实施例，通过基于转子电流模型参考自适应的速度计算方法计算得到所述双馈发电机的转子位置角的步骤中，具体包含以下步骤：
22.将定子电压u
sa
、u
sb
、u
sc
由三相坐标系经clark变换到两相静止坐标系，得到u
sα
、u
sβ
；
23.将定子电流i
sa
、i
sb
、i
sc
由三相坐标系经clark变换到两相静止坐标系，得到i
sα
、i
sβ
；
24.将转子电流i
ra
、i
rb
、i
rc
由三相坐标系经clark变换到两相静止坐标系，得到i
rα
、i
rβ
。
25.根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算得到u
sα
、u
sβ
、i
sα
、i
sβ
、i
rα
、i
rβ
：
[0026][0027][0028][0029]
其中，u
sa
、u
sb
、u
sc
表示三相坐标系下的定子电压，u
sα
、u
sβ
表示两相静止坐标系下的定子电压，i
sa
、i
sb
、i
sc
表示三相坐标系下的定子电流，i
sα
、i
sβ
表示两相静止坐标系下的定子电流，i
ra
、i
rb
、i
rc
表示三相坐标系下的转子电流，i
rα
、i
rβ
两相静止坐标系下的转子电流。
[0030]
根据本发明的一个实施例，基于电压模型定子磁链、电流模型定子磁链，结合误差函数以及转速估算公式计算得到转速估算值，进而计算得到转子位置角。
[0031]
根据本发明的一个实施例，电压模型定子磁链如下式：
[0032][0033]
电流模型定子磁链如下式：
[0034]
[0035]
误差函数如下式：
[0036][0037]
转速估算公式如下式：
[0038][0039]
转子角计算如下式：
[0040][0041][0042]
其中，ψ
sα
、ψ
sβ
表示定子电压磁链分量，r
s
表示定子电阻，表示定子电流磁链分量，l
s
表示定子漏感，l
m
表示绕组互感，i
rα
′
、i
rβ
′
表示通过转子位置角变换得到的两相静止坐标系下的转子电流分量，ε
ψs
表示磁链误差，表示转子角速度，k
p
表示比例系数，k
i
表示积分系数，表示所述转子位置角。
[0043]
根据本发明的一个实施例，通过整机齿轮箱低速轴的速度计算方法计算得到所述双馈发电机的转子位置角的步骤中，具体包含以下步骤：
[0044]
检测齿轮箱低速轴的转速ω2，经过积分环节后得到转子位置角，作为所述双馈发电机的转子位置角。
[0045]
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于双馈发电机的电机转速计算装置，所述装置包含：
[0046]
判断模块，其用于实时检测电网电压u
abc
、定子电压u
sabc
、定子电流i
sabc
、转子电流i
rabc
，并实时检测定子接触器反馈信号，判断所述反馈信号是否为真；
[0047]
第一计算模块，其用于若所述反馈信号为真，通过基于定子电压模型参考自适应的速度计算方法计算得到所述双馈发电机的转子位置角；
[0048]
第二计算模块，其用于若所述反馈信号不为真，且网压不平度小于等于第一阈值以及转差小于等于第二阈值，则通过基于转子电流模型参考自适应的速度计算方法计算得到所述双馈发电机的转子位置角，否则，通过整机齿轮箱低速轴的速度计算方法计算得到所述双馈发电机的转子位置角；
[0049]
控制模块，其用于将计算得到的转子位置角选择作为所述双馈发电机的控制变量。
[0050]
本发明提供的用于双馈发电机的电机转速计算方法及装置使用风机齿轮箱低或高速轴转速信号估算双馈电机速度；采用网压不平度判断发电机转子位置角；采用定子接触器反馈信号判断发电机转子位置角；采用发电机转差判断发电机转子位置角。本发明解决了网压故障时以及crowbar导通时双馈电机转速、发电机位置角估算不准的工程难题。
[0051]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利
要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0052]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0053]
图1显示了根据本发明的一个实施例的用于双馈发电机的电机转速计算方法流程图；
[0054]
图2显示了根据本发明的一个实施例的用于双馈发电机的电机转速计算方法逻辑控制图；
[0055]
图3显示了根据本发明的一个实施例的齿轮箱低速轴转速信号与定子电压模型参考自适应计算方法原理示意图；
[0056]
图4显示了根据本发明的一个实施例的齿轮箱低速轴转速信号与转子电流模型参考自适应计算方法原理示意图；
[0057]
图5显示了根据本发明的一个实施例的用于双馈发电机的电机转速计算系统控制原理图；以及
[0058]
图6显示了根据本发明的一个实施例的用于双馈发电机的电机转速计算装置结构框图。
具体实施方式
[0059]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
[0060]
图1显示了根据本发明的一个实施例的用于双馈发电机的电机转速计算方法流程图。
[0061]
如图1，在步骤s101中，实时检测电网电压u
abc
、定子电压u
sabc
、定子电流i
sabc
、转子电流i
rabc
，并实时检测定子接触器反馈信号，判断反馈信号是否为真。
[0062]
如图1，在步骤s102中，若反馈信号为真，通过基于定子电压模型参考自适应的速度计算方法计算得到双馈发电机的转子位置角。
[0063]
如图1，在步骤s103中，若反馈信号不为真，且网压不平度小于等于第一阈值以及转差小于等于第二阈值，则通过基于转子电流模型参考自适应的速度计算方法计算得到双馈发电机的转子位置角，否则，通过整机齿轮箱低速轴的速度计算方法计算得到双馈发电机的转子位置角。
[0064]
在一个实施例中，检测齿轮箱低速轴的转速ω2，经过积分环节后得到转子位置角，作为双馈发电机的转子位置角。
[0065]
如图1，在步骤s104中，将计算得到的转子位置角选择作为双馈发电机的控制变量。
[0066]
具体逻辑图如图2，首先判断定子接触器反馈信号是否为真，如果该信号为真，则选择基于定子电压模型参考模型自适应的速度计算方法计算出的发电机转子位置角作为控制发电机变量，否则选择齿轮箱低速轴转速信号再积分作为控制发电机变量，或者基于转子电流模型参考自适应的速度计算方法计算出的发电机转子位置角作为控制发电机变
量；
[0067]
然后再根据电网不平度和发电机转差进一步判断，如果网压不平衡度σ大于0.5或者转差s大于0.4时，选择齿轮箱低速轴转速信号再积分作为控制发电机变量，否者选择基于转子电流模型参考自适应的速度计算方法计算出的发电机转子位置角作为控制发电机变量。
[0068]
在一个实施例中，对电网电压u
abc
进行abc/dq变换，得到电网电压d、q轴分量u
ld
、u
lq
，经过锁相环后得到电网角速度ω1以及电网位置信息θ1；对定子电压u
sabc
进行abc/dq变换，得到定子电压d、q轴分量u
sd
、u
sq
；对定子电流i
sabc
进行abc/dq变换，得到定子电流d、q轴分量i
sd
、i
sq
；对转子电流i
rabc
进行abc/dq变换，得到转子电流d、q轴分量i
rd
、i
rq
。
[0069]
图3显示了根据本发明的一个实施例的齿轮箱低速轴转速信号与定子电压模型参考自适应计算方法原理示意图。
[0070]
同步旋转d、q坐标系下dfig的数学模型可表示为：
[0071]
磁链方程：
[0072][0073]
电压方程：
[0074][0075]
其中，r
s
定子电阻，r
r
转子电阻，u
sd
、u
sq
分别为定子电压d、q轴分量，i
sd
、i
sq
定子电流d、q轴分量，u
rd
、u
rq
分别为转子电压d、q轴分量，i
rq
、i
rd
转子电流d、q轴分量，l
m
电机绕组互感，l
s
发电机定子漏感，l
r
发电机转子漏感，ω
s
电网同步角速度，ω1电网角频率，ψ
sd
、ψ
sq
分别为定子磁链d、q轴分量，ψ
rq
、ψ
rd
分别为转子磁链d、q轴分量。
[0076]
由以上两式可知双馈电机定子电压方程：
[0077]
u
sd
＝r
s
i
sd-ω1l
s
i
sq-ω1l
m
i
rq
[0078]
以上方程作为包含转速信息的自适应模型，同时，控制器直接采集的定子电压d轴分量
usd*
作为参考模型。定子电压参考模型自适应mras主要思想是将不含未知参数的方程作为参考模型，将含有待估算参数的方程作为自适应模型，两个模型具有相同的物理意义的输出量。两个模型同时工作，利用其输出的差值，通过自适应控制器来实时调节待估算参数，使自适应模型与参考模型保持动态一致。所以转差角速度ω
δ
为自适应控制器输出，转差角θ
δ
为转差角速度的积分。
[0079]
如图3，i
sd
、i
sq
为定子电流d、q轴分量，ω1为电网电压的角频率，i
rq
为转子电流的q轴分量。r
s
为双馈电机的定子电阻，l
s
为定子互感与漏感之和，l
m
为电机的互感，为定子
电压d轴分量，pir为比例谐振控制器，ω
r
为估算出的发电机转子角速度，ω2为齿轮箱低速轴的转速，θ
r
为发电机转子位置角。
[0080]
具体来说，首先，建立包含双馈发电机转速信息的定子电压自适应模型以及定子电压参考模型；然后，利用定子电压自适应模型以及定子电压参考模型输出的差值，通过自适应器来输出转差角速度ω
δ
，经过积分后得到转差角θ
δ
。
[0081]
定子电压自适应模型如下式：
[0082]
u
sd
＝r
s
i
sd-ω1l
s
i
sq-ω1l
m
i
rq
[0083]
其中，r
s
表示定子电阻，l
s
表示定子漏感，l
m
表示绕组互感。
[0084]
图4显示了根据本发明的一个实施例的齿轮箱低速轴转速信号与转子电流模型参考自适应计算方法原理示意图。如图4，u
s
为定子电压、i
s
为定子电流、i
r
为转子电流。
[0085]
首先，将定子电压u
sa
、u
sb
、u
sc
由三相坐标系经clark变换到两相静止坐标系，得到u
sα
、u
sβ
；将定子电流i
sa
、i
sb
、i
sc
由三相坐标系经clark变换到两相静止坐标系，得到i
sα
、i
sβ
；将转子电流i
ra
、i
rb
、i
rc
由三相坐标系经clark变换到两相静止坐标系，得到i
rα
、i
rβ
。
[0086]
具体来说，通过以下公式计算得到u
sα
、u
sβ
、i
sα
、i
sβ
、i
rα
、i
rβ
：
[0087][0088][0089][0090]
其中，u
sa
、u
sb
、u
sc
表示三相坐标系下的定子电压，u
sα
、u
sβ
表示两相静止坐标系下的定子电压，i
sa
、i
sb
、i
sc
表示三相坐标系下的定子电流，i
sα
、i
sβ
表示两相静止坐标系下的定子电流，i
ra
、i
rb
、i
rc
表示三相坐标系下的转子电流，i
rα
、i
rβ
两相静止坐标系下的转子电流。
[0091]
在一个实施例中，基于电压模型定子磁链、电流模型定子磁链，结合误差函数以及转速估算公式计算得到转速估算值，进而计算得到转子位置角。
[0092]
具体来说，电压模型定子磁链如下式：
[0093][0094]
电流模型定子磁链如下式：
[0095]
[0096]
误差函数如下式：
[0097][0098]
转速估算公式如下式：
[0099][0100]
转子角计算如下式：
[0101][0102][0103]
其中，ψ
sα
、ψ
sβ
表示定子电压磁链分量，r
s
表示定子电阻，表示定子电流磁链分量，l
s
表示定子漏感，l
m
表示绕组互感，i
rα
′
、i
rβ
′
表示通过转子位置角变换得到的两相静止坐标系下的转子电流分量，ε
ψs
表示磁链误差，表示转子角速度，k
p
表示比例系数，k
i
表示积分系数，表示转子位置角。
[0104]
图5显示了根据本发明的一个实施例的用于双馈发电机的电机转速计算系统控制原理图。
[0105]
本发明提出基于风机齿轮箱低速轴转速信号以及谐振控制器的双馈电机转速估算，并将其应用到实际工程中去。其系统主要构成部分：网侧变流器lconv、机侧变流器gconv、网侧滤波器lc1、机侧高频滤波器lc2、定子接触器k1、网侧接触器k3、预充电接触器k2、双馈发电机dfig、齿轮箱gearbox、叶片blade、风机箱变t1；由于本控制系统不涉及网侧变流器控制，在此不再赘述。
[0106]
控制器实时检测电网电压，经过abc/dq变换，得到电网电压d、q分量u
ld
、u
lq
，然后经过锁相环pll，得到电网角速度ω1和电网位置信息θ1；检测定子电压u
sabc
，经过abc/dq变换，得到定子电压d、q分量u
sd
、u
sq
；检测定子电流i
sabc
，经过abc/dq变换，得到定子电流d、q分量i
sd
、i
sq
；ω2为检测齿轮箱低速轴的转速信号，然后经过积分环节，得到低速轴的位置信息θ4；
[0107]
检测三相转子电流i
rabc
，经过abc/dq变换，得到转子电流d、q分量i
rd
、i
rq
；使用定子电压参考模型自适应计算出转子位置信息θ2，具体方法见图3；使用转子电流参考模型自适应计算出转子位置信息θ3，具体方法见图4；运用双馈电机转子位置角判断逻辑实时选择用作控制的转子位置信息θ
r
，具体方法见图2。
[0108]
得到θ
r
后作为转子电流abc/dq变换以及指令电压u
rd
、u
rq
的dq/abc变换；转子电流i
rd
、i
rq
与指令值经过比例谐振控制器，得到指令电压u
rd
、u
rq
，送到模块svpwm空间矢量调制，得到六路驱动信号s1、s2、s3、s4、s5、s6，驱动机侧变流器，实现双馈电机并网发电。
[0109]
图6显示了根据本发明的一个实施例的用于双馈发电机的电机转速计算装置结构框图。如图6，计算装置600包含判断模块601、第一计算模块602、第二计算模块603以及控制模块604。
[0110]
判断模块601用于实时检测电网电压u
abc
、定子电压u
sabc
、定子电流i
sabc
、转子电流i
rabc
，并实时检测定子接触器反馈信号，判断反馈信号是否为真。
[0111]
第一计算模块602用于若反馈信号为真，通过基于定子电压模型参考自适应的速度计算方法计算得到双馈发电机的转子位置角。
[0112]
第二计算模块603用于若反馈信号不为真，且网压不平度小于等于第一阈值以及转差小于等于第二阈值，则通过基于转子电流模型参考自适应的速度计算方法计算得到双馈发电机的转子位置角，否则，通过整机齿轮箱低速轴的速度计算方法计算得到双馈发电机的转子位置角。
[0113]
控制模块604用于将计算得到的转子位置角选择作为双馈发电机的控制变量。
[0114]
综上，本发明提供的用于双馈发电机的电机转速计算方法及装置使用风机齿轮箱低或高速轴转速信号估算双馈电机速度；采用网压不平度判断发电机转子位置角；采用定子接触器反馈信号判断发电机转子位置角；采用发电机转差判断发电机转子位置角。本发明解决了网压故障时以及crowbar导通时双馈电机转速、发电机位置角估算不准的工程难题。
[0115]
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0116]
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0117]
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。