本發(fā)明涉及一種雙饋電機(jī)故障容錯(cuò)方法，尤其是涉及一種雙饋電機(jī)定子繞組匝間短路故障定子負(fù)序電流抑制方法。

背景技術(shù)：

近年環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，清潔能源備受關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為新能源應(yīng)用的主要方式。隨著海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)海、深水、大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)成為海上風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)。大容量、遠(yuǎn)離岸距離的海上風(fēng)電機(jī)組具有故障率高、故障維修困難、故障停運(yùn)損失大等特點(diǎn)，使得風(fēng)電機(jī)組在深遠(yuǎn)海惡劣環(huán)境下的安全穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題越發(fā)受到關(guān)注。海上風(fēng)電機(jī)組的容錯(cuò)運(yùn)行已成為近期風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外關(guān)注的重要課題。

雙饋電機(jī)(DFIG)已成為海上發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型之一，其容錯(cuò)技術(shù)已取得部分研究成果。海洋惡劣環(huán)境使雙饋電機(jī)繞組絕緣面臨巨大考驗(yàn)，定、轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路短路是最主要的電氣故障，但長(zhǎng)期以來(lái)，絕大多數(shù)研究工作集中在故障診斷、冗余備份式容錯(cuò)以及傳感器或槳距調(diào)節(jié)等方面容錯(cuò)，缺乏對(duì)電機(jī)內(nèi)部故障的深入研究。而內(nèi)部故障的容錯(cuò)研究對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高，繞組內(nèi)部故障容錯(cuò)問(wèn)題一直得不到根本解決，也成為當(dāng)今嚴(yán)重制約海上雙饋機(jī)組故障容錯(cuò)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

定子繞組匝間短路約占定子故障的50％，是雙饋電機(jī)常見(jiàn)的電氣故障之一。目前已有其他種類(lèi)電機(jī)的繞組短路控制研究。作者王曉琳等人在電工技術(shù)學(xué)報(bào)發(fā)表的題名為短路容錯(cuò)控制在多相無(wú)軸承永磁同步電機(jī)中的可行性分析的文章，在通過(guò)重構(gòu)非故障相定子電流，解決了多相無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)繞組開(kāi)路短路容錯(cuò)控制問(wèn)題。Jeong I等人在IEEE Transactions on Power Electronics上發(fā)表的題名為Dynamic Modeling and Control for SPMSMs With Internal Turn Short Fault的文章，針對(duì)表貼式永磁電機(jī)匝間短路故障采用正負(fù)序雙電流環(huán)控制，有效降低故障后定子電流的負(fù)序分量，作者魏書(shū)榮等人在電力系統(tǒng)自動(dòng)化上發(fā)表題名為海上雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)路故障容錯(cuò)重構(gòu)技術(shù)的文章，表明目前單相開(kāi)路故障具有較好的容錯(cuò)效果。而受實(shí)驗(yàn)條件限制，對(duì)繞組短路故障容錯(cuò)的研究則相對(duì)較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種使雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)生定子匝間短路故障后仍能夠穩(wěn)定運(yùn)行的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子匝間短路負(fù)序電流抑制方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子匝間短路負(fù)序電流抑制方法，該方法包括如下步驟：

(1)獲取定子輸出功率，采用定子磁鏈定向矢量控制確定轉(zhuǎn)子三相電壓給定參考量；

(2)獲取定子負(fù)序電流、轉(zhuǎn)子負(fù)序電流和轉(zhuǎn)子電壓，并輸入至負(fù)序電流控制器，負(fù)序電流控制器輸出用于抑制定子負(fù)序電流的轉(zhuǎn)子三相電壓補(bǔ)償量；

(3)求取轉(zhuǎn)子三相電壓參考量和轉(zhuǎn)子三相電壓補(bǔ)償量之和得出轉(zhuǎn)子三相電壓參考終值，采用三相電壓參考終值控制轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器。

所述的負(fù)序電流控制器為：

其中，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中的d軸轉(zhuǎn)子電壓補(bǔ)償量，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中的q軸轉(zhuǎn)子電壓補(bǔ)償量，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中的d軸轉(zhuǎn)子電壓，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中的q軸轉(zhuǎn)子電壓，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中d軸定子負(fù)序電流，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中q軸定子負(fù)序電流，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中d軸定子負(fù)序電流參考值，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中q軸定子負(fù)序電流參考值，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中d軸轉(zhuǎn)子負(fù)序電流，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中q軸轉(zhuǎn)子負(fù)序電流，PI₁、PI₂、PI₃和PI₄均為PI控制參數(shù)。

步驟(2)中定子負(fù)序電流和轉(zhuǎn)子負(fù)序電流通過(guò)如下方式獲?。?/p>

(201)采集定子三相電流和轉(zhuǎn)子三相電流；

(202)對(duì)定子三相電流和轉(zhuǎn)子三相電流分別在負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系下進(jìn)行負(fù)序旋轉(zhuǎn)變換，得到負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中的d軸定子電流、q軸定子電流、d軸轉(zhuǎn)子電流和q軸轉(zhuǎn)子電流；

(203)依次濾除d軸定子電流、q軸定子電流、d軸轉(zhuǎn)子電流和q軸轉(zhuǎn)子電流中的二倍頻交流量得到負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中的d軸定子負(fù)序電流、q軸定子負(fù)序電流、d軸轉(zhuǎn)子負(fù)序電流和q軸轉(zhuǎn)子負(fù)序電流。

步驟(3)中通過(guò)陷波器濾除各電流中的二倍頻交流量。

所述的陷波器為二階陷波器，其閉環(huán)傳遞函數(shù)具體為：

其中，ω_c為截止角頻率，ω_c＝2ω，ω為電流角頻率，σ為濾波系數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明在現(xiàn)有的定子磁鏈定向矢量控制的基礎(chǔ)上加上負(fù)序電流控制器，當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子匝間短路時(shí)定子電流產(chǎn)生負(fù)序分量，通過(guò)電流控制器產(chǎn)生轉(zhuǎn)子三相電壓補(bǔ)償量并將轉(zhuǎn)子三相電壓補(bǔ)償量注入轉(zhuǎn)子側(cè)，從而消除定子電流中的負(fù)序分量，使定子電流趨于對(duì)稱，從而抑制故障時(shí)定子的輸出功率脈動(dòng)，改善電能質(zhì)量，使DFIG仍能夠平穩(wěn)發(fā)電運(yùn)行，抑制效果好；

(2)本發(fā)明方法無(wú)需添加任何硬件控制電路，控制簡(jiǎn)單。

附圖說(shuō)明

圖1為雙饋電機(jī)定子繞組a相匝間短路示意圖；

圖2為本發(fā)明雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子匝間短路負(fù)序電流抑制方法的控制框圖；

圖3本發(fā)明方法仿真結(jié)果波形圖；

圖4為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖；

圖5為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中定子繞組電氣原理圖；

圖6為本發(fā)明方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例

如圖1所示，假設(shè)雙饋電機(jī)定子繞組為“Y”形連接，電機(jī)A相繞組發(fā)生匝間短路故障，故障的嚴(yán)重程度用μ表示，μ表示短路匝數(shù)與該相總匝數(shù)的比值。圖1中，as₁和as₂分別代表正常繞組和故障部分繞組，R_f代表過(guò)渡電阻，故障早期R_f較大，故障輕微，隨著時(shí)間推移，故障加重R_f趨近于零。基于故障機(jī)理建模，采用電動(dòng)機(jī)慣例，可對(duì)故障電機(jī)方程描述如下：

其中，U_s＝[u_as u_bs u_cs]^T為定子繞組電壓矩陣，U_r＝[u_ar u_br u_cr]^T為轉(zhuǎn)子繞組電壓矩陣，I_s＝[i_as i_bs i_cs]^T為定子繞組電流矩陣，I_r＝[i_ar i_br i_cr]^T為轉(zhuǎn)子繞組電流矩陣，R_s＝R_sdiag[1 1 1]為定子繞組電阻矩陣，R_r＝R_rdiag[1 1 1]為轉(zhuǎn)子繞組電阻矩陣，ψ_s＝[ψ_as ψ_bsψ_cs]^T為定子繞組磁鏈矩陣，ψ_r＝[ψ_ar ψ_br ψ_cr]^T為轉(zhuǎn)子繞組磁鏈矩陣。

A₁＝-[R_s 0 0]^T，A₂＝[-(L_ls+L_ms) L_ms/2 L_ms/2]^T，

A₃＝-L_ms[cosθ_r cos(θ_r+2π/3) cos(θ_r-2π/3)]^T；

p為微分算子，R_s為定子電阻，R_r為轉(zhuǎn)子電阻，L_ls為定子繞組漏感，L_lr為轉(zhuǎn)子繞組漏感，L_ms為定轉(zhuǎn)子互感值，i_f為短路環(huán)電流，θ_r為轉(zhuǎn)子空間位置角。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，繞組不再對(duì)稱，需考慮故障繞組對(duì)負(fù)序模型的影響。定、轉(zhuǎn)子均采用電動(dòng)機(jī)慣例，則在負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，結(jié)合式(1)和式(2)，對(duì)其做負(fù)序同步dq旋轉(zhuǎn)變換，可得在負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)軸系下DFIG的故障數(shù)學(xué)模型中電壓與磁鏈方程如式(3)。

式中上標(biāo)“-”代表負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系，負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)軸系下定子電壓，負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)軸系下轉(zhuǎn)子電壓，負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)軸系下定子磁鏈，負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)軸系下轉(zhuǎn)子磁鏈，L_s＝L_ls+3L_ms/2、L_r＝L_lr+3L_ms/2、L_m＝3L_ms/2、ω為同步角頻率，ω_s＝-(2-s)ω，s為雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)差率，由式(3)對(duì)正負(fù)序量分離可進(jìn)一步得出負(fù)序軸系下的負(fù)序電壓與負(fù)序磁鏈的表達(dá)式：

式中下標(biāo)“-”代表負(fù)序分量，負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)軸系下定子電壓負(fù)序分量，負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)軸系下轉(zhuǎn)子電壓負(fù)序分量，負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)軸系下定子磁鏈負(fù)序分量，負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)軸系下轉(zhuǎn)子磁鏈負(fù)序分量。

正序分量在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下為直流量，負(fù)序則為二倍頻交流量，在負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中，正序分量是2倍頻率的的交流量，而負(fù)序電流則為直流量。以定子電流為例，電機(jī)定子繞組采用星型連接，且中性點(diǎn)無(wú)外接電路，可以認(rèn)為不存在零序電流。如式(5)所示，三相定子電流i_as、i_bs、i_cs可以用正負(fù)序電流表示，其中i₀₊和i_0-分別為定子正序電流幅值和定子負(fù)序電流幅值。而如式(6)所示，定子三相電流經(jīng)過(guò)負(fù)序旋轉(zhuǎn)變換，在負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中得到負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中d軸定子負(fù)序電流和負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中q軸定子負(fù)序電流負(fù)序電流對(duì)應(yīng)為直流分量而正序電流對(duì)應(yīng)二倍頻交流量。

為了抑制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子匝間故障后的負(fù)序電流，本發(fā)明一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子匝間短路負(fù)序電流抑制方法，該方法包括如下步驟：

(1)獲取定子輸出功率，采用定子磁鏈定向矢量控制確定轉(zhuǎn)子三相電壓參考量；

(2)獲取定子負(fù)序電流、轉(zhuǎn)子負(fù)序電流和轉(zhuǎn)子電壓，并輸入至負(fù)序電流控制器，負(fù)序電流控制器輸出用于抑制定子負(fù)序電流的轉(zhuǎn)子三相電壓補(bǔ)償量；

(3)求取轉(zhuǎn)子三相電壓參考量和轉(zhuǎn)子三相電壓補(bǔ)償量之和得出轉(zhuǎn)子三相電壓參考終值，采用三相電壓參考終值控制轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器。

具體的控制框圖如圖2所示。其中步驟(1)中定子磁鏈定向矢量控制為現(xiàn)有控制方法，其中ΔU_rd、ΔU_rq分別為轉(zhuǎn)子側(cè)為消除轉(zhuǎn)子電壓、電流交叉耦合的補(bǔ)償項(xiàng),通過(guò)編碼器的到轉(zhuǎn)子空間位置角θ_r，并由三相定子電壓U_sabc和定子三相電流I_sabc計(jì)算得出定子磁鏈相角θ_s，P_s、Q_s、和分別為定子輸出有功功率與無(wú)功功率的實(shí)測(cè)值和參考值。首先對(duì)定子電壓電流采樣，計(jì)算得到實(shí)際定子輸出功率，采用定子磁鏈定向矢量控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率解耦和最大風(fēng)能追蹤控制。當(dāng)發(fā)電機(jī)不發(fā)生故障時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正常運(yùn)行。

負(fù)序電流控制器為：

其中，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中的d軸轉(zhuǎn)子三相電壓補(bǔ)償量，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中的q軸轉(zhuǎn)子三相電壓補(bǔ)償量，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中的d軸轉(zhuǎn)子電壓，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中的q軸轉(zhuǎn)子電壓，結(jié)合式(4)可得和為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中d軸定子負(fù)序電流，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中q軸定子負(fù)序電流，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中d軸定子負(fù)序電流參考值，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中q軸定子負(fù)序電流參考值，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中d軸轉(zhuǎn)子負(fù)序電流，為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中q軸轉(zhuǎn)子負(fù)序電流，PI₁、PI₂、PI₃和PI₄均為PI控制參數(shù)。

步驟(2)中定子負(fù)序電流和轉(zhuǎn)子負(fù)序電流通過(guò)如下方式獲?。?/p>

(201)采集定子三相電流和轉(zhuǎn)子三相電流；

(202)對(duì)定子三相電流和轉(zhuǎn)子三相電流分別在負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系下進(jìn)行負(fù)序旋轉(zhuǎn)變換，得到負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中的d軸定子電流、q軸定子電流、d軸轉(zhuǎn)子電流和q軸轉(zhuǎn)子電流；

(203)依次濾除d軸定子電流、q軸定子電流、d軸轉(zhuǎn)子電流和q軸轉(zhuǎn)子電流中的二倍頻交流量得到負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系中的d軸定子負(fù)序電流、q軸定子負(fù)序電流、d軸轉(zhuǎn)子負(fù)序電流和q軸轉(zhuǎn)子負(fù)序電流。

步驟(3)中通過(guò)陷波器濾除各電流中的二倍頻交流量。

所述的陷波器為二階陷波器，其閉環(huán)傳遞函數(shù)具體為：

其中，ω_c為截止角頻率，ω_c＝2ω，ω為電流角頻率，σ為濾波系數(shù)。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，負(fù)序電流抑制控制器?？刂破髦胸?fù)序電流的提取可以先將二倍頻的交流量濾除掉，得到的直流量則為負(fù)序旋轉(zhuǎn)軸系下的負(fù)序電流。在傳統(tǒng)定子磁鏈定向矢量控制的基礎(chǔ)上添加負(fù)序電流控制器，在轉(zhuǎn)子側(cè)注入諧波電壓，該方法旨在消除定子電流中的負(fù)序分量，使定子電流趨于對(duì)稱,從而抑制故障時(shí)定子的輸出功率脈動(dòng)，改善電能質(zhì)量，使DFIG仍能夠平穩(wěn)發(fā)電運(yùn)行。

對(duì)施加控制策略前后的功率以及電流波形進(jìn)行了仿真，仿真參數(shù)如表1所示，給定有功功率為P＝5.5kW，無(wú)功功率Q＝0var，短路系數(shù)μ＝0.05，仿真結(jié)果如圖3所示。圖3(a)為定子輸出有功功率波形圖，圖3(b)為定子負(fù)序電流幅值波形圖，圖3(c)三相定子電流波形圖，圖3(d)為定子匝間短路環(huán)電流波形圖，為由圖3(a)、(b)可以看出，電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子輸出有功功率平穩(wěn)，定子負(fù)序電流幅值趨近于零，當(dāng)定子繞組發(fā)生匝間短路故障時(shí)，定子輸出有功功率會(huì)產(chǎn)生較大脈動(dòng)，定子負(fù)序電流幅值明顯增大，圖3(c)顯示故障前后定子電流的畸變，以及抑制負(fù)序電流對(duì)定子電流波形的改善效果，圖3(d)顯示定子匝間短路環(huán)電流無(wú)明顯變化。

表1雙饋電機(jī)參數(shù)

仿真結(jié)果表明，采用定子負(fù)序電流抑制措施后，定子輸出有功功率脈動(dòng)極大減小，定子負(fù)序電流幅值縮減約為原有1/4，定子電流波形明顯改善，畸變程度減小。

結(jié)合MATLAB/Simulink構(gòu)建基于dSPACE1007的DFIG半實(shí)物仿真平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括模擬風(fēng)機(jī)的原動(dòng)機(jī)、模擬定子繞組匝間短路故障的雙饋異步電機(jī)、風(fēng)力機(jī)控制屏、轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制屏、網(wǎng)側(cè)變頻器控制屏、并網(wǎng)控制屏、模擬故障屏、dSPACE1007和計(jì)算機(jī)等部分組成。圖4為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。圖5所示為定子繞組電氣原理圖，從定子中性點(diǎn)往端部，引出不同匝數(shù)的抽頭，不同位置的抽頭短接可以模擬不同程度的故障。例如將A1與Y抽頭短接，可模擬定子匝間短路數(shù)為9匝(4.69％)的單相匝間短路故障。

并網(wǎng)電壓為380V，雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速1144rpm，故障端子選擇A1、Y(9匝，0.0469)。參數(shù)與表1一致?？紤]到故障對(duì)電雙饋電機(jī)出力的影響以及為了保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，給定有功率為2700W，無(wú)功功率為0。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)為定子負(fù)序電流幅值波形圖，正常并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，受電機(jī)輕微固有不對(duì)稱和電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響，存在微小的負(fù)序電流，在t＝1.5s時(shí)發(fā)生定子匝間短路故障，負(fù)序電流幅值突然增大，當(dāng)t＝4s時(shí)施加負(fù)序電流控制策略，負(fù)序電流幅值明顯減小。圖6(b)為定子輸出有功功率波形圖，在正常工況運(yùn)行時(shí)，定子輸出有功功率較平穩(wěn)，發(fā)生故障時(shí)脈動(dòng)明顯，加入負(fù)序電流抑制的容錯(cuò)控制策略后，定子輸出有功功率脈動(dòng)大幅減小。圖6(c)為三相定子電流波形圖，從其局部放大圖可以看出1.5s故障后，三相定子電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，負(fù)序電流控制環(huán)啟動(dòng)后，三相定子電流趨于正常，圖6(d)為實(shí)驗(yàn)時(shí)定子匝間短路環(huán)電流波形圖，由于將抽頭直接短接，過(guò)渡電阻為零，因而電流較大。

仿真和實(shí)驗(yàn)證明，該策略可以有效的抑制定子側(cè)輸出功率脈動(dòng)，減小定子故障時(shí)的負(fù)序電流，從而減小電機(jī)內(nèi)部損耗，。對(duì)海上雙饋電機(jī)的早期定子繞組匝間故障起到了抑制作用，可以使雙饋電機(jī)仍能夠"跛行"發(fā)電，對(duì)未來(lái)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)容錯(cuò)控制技術(shù)的發(fā)展具有借鑒意義。