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

背景技術：

近年環(huán)境問題日益嚴重，清潔能源備受關注，風力發(fā)電已經(jīng)成為新能源應用的主要方式。隨著海上風電技術的發(fā)展，遠海、深水、大規(guī)模海上風電場已經(jīng)成為海上風電發(fā)展的一個主要趨勢。大容量、遠離岸距離的海上風電機組具有故障率高、故障維修困難、故障停運損失大等特點，使得風電機組在深遠海惡劣環(huán)境下的安全穩(wěn)定運行問題越發(fā)受到關注。海上風電機組的容錯運行已成為近期風力發(fā)電技術領域國內(nèi)外關注的重要課題。

雙饋電機(DFIG)已成為海上發(fā)電機的主流機型之一，其容錯技術已取得部分研究成果。海洋惡劣環(huán)境使雙饋電機繞組絕緣面臨巨大考驗，定、轉子繞組開路短路是最主要的電氣故障，但長期以來，絕大多數(shù)研究工作集中在故障診斷、冗余備份式容錯以及傳感器或槳距調節(jié)等方面容錯，缺乏對電機內(nèi)部故障的深入研究。而內(nèi)部故障的容錯研究對實驗設備要求較高，繞組內(nèi)部故障容錯問題一直得不到根本解決，也成為當今嚴重制約海上雙饋機組故障容錯技術發(fā)展的瓶頸。

定子繞組匝間短路約占定子故障的50％，是雙饋電機常見的電氣故障之一。目前已有其他種類電機的繞組短路控制研究。作者王曉琳等人在電工技術學報發(fā)表的題名為短路容錯控制在多相無軸承永磁同步電機中的可行性分析的文章，在通過重構非故障相定子電流，解決了多相無軸承永磁薄片電機繞組開路短路容錯控制問題。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，針對表貼式永磁電機匝間短路故障采用正負序雙電流環(huán)控制，有效降低故障后定子電流的負序分量，作者魏書榮等人在電力系統(tǒng)自動化上發(fā)表題名為海上雙饋風力發(fā)電機組開路故障容錯重構技術的文章，表明目前單相開路故障具有較好的容錯效果。而受實驗條件限制，對繞組短路故障容錯的研究則相對較少。

技術實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

一種雙饋風力發(fā)電機定子匝間短路負序電流抑制方法，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子三相電壓給定參考量；

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

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

所述的負序電流控制器為：

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

步驟(2)中定子負序電流和轉子負序電流通過如下方式獲?。?/p>

(201)采集定子三相電流和轉子三相電流；

(202)對定子三相電流和轉子三相電流分別在負序旋轉軸系下進行負序旋轉變換，得到負序旋轉軸系中的d軸定子電流、q軸定子電流、d軸轉子電流和q軸轉子電流；

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

步驟(3)中通過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)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明在現(xiàn)有的定子磁鏈定向矢量控制的基礎上加上負序電流控制器，當雙饋風力發(fā)電機定子匝間短路時定子電流產(chǎn)生負序分量，通過電流控制器產(chǎn)生轉子三相電壓補償量并將轉子三相電壓補償量注入轉子側，從而消除定子電流中的負序分量，使定子電流趨于對稱，從而抑制故障時定子的輸出功率脈動，改善電能質量，使DFIG仍能夠平穩(wěn)發(fā)電運行，抑制效果好；

(2)本發(fā)明方法無需添加任何硬件控制電路，控制簡單。

附圖說明

圖1為雙饋電機定子繞組a相匝間短路示意圖；

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

圖3本發(fā)明方法仿真結果波形圖；

圖4為實驗平臺結構圖；

圖5為實驗平臺中定子繞組電氣原理圖；

圖6為本發(fā)明方法實驗結果波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例

如圖1所示，假設雙饋電機定子繞組為“Y”形連接，電機A相繞組發(fā)生匝間短路故障，故障的嚴重程度用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代表過渡電阻，故障早期R_f較大，故障輕微，隨著時間推移，故障加重R_f趨近于零?；诠收蠙C理建模，采用電動機慣例，可對故障電機方程描述如下：

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為轉子電阻，L_ls為定子繞組漏感，L_lr為轉子繞組漏感，L_ms為定轉子互感值，i_f為短路環(huán)電流，θ_r為轉子空間位置角。

當電機發(fā)生故障時，繞組不再對稱，需考慮故障繞組對負序模型的影響。定、轉子均采用電動機慣例，則在負序同步旋轉坐標系下，結合式(1)和式(2)，對其做負序同步dq旋轉變換，可得在負序同步旋轉軸系下DFIG的故障數(shù)學模型中電壓與磁鏈方程如式(3)。

式中上標“-”代表負序旋轉軸系，負序同步旋轉軸系下定子電壓，負序同步旋轉軸系下轉子電壓，負序同步旋轉軸系下定子磁鏈，負序同步旋轉軸系下轉子磁鏈，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為雙饋電機轉差率，由式(3)對正負序量分離可進一步得出負序軸系下的負序電壓與負序磁鏈的表達式：

式中下標“-”代表負序分量，負序同步旋轉軸系下定子電壓負序分量，負序同步旋轉軸系下轉子電壓負序分量，負序同步旋轉軸系下定子磁鏈負序分量，負序同步旋轉軸系下轉子磁鏈負序分量。

正序分量在同步旋轉坐標系下為直流量，負序則為二倍頻交流量，在負序旋轉軸系中，正序分量是2倍頻率的的交流量，而負序電流則為直流量。以定子電流為例，電機定子繞組采用星型連接，且中性點無外接電路，可以認為不存在零序電流。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序電流幅值。而如式(6)所示，定子三相電流經(jīng)過負序旋轉變換，在負序旋轉軸系中得到負序旋轉軸系中d軸定子負序電流和負序旋轉軸系中q軸定子負序電流負序電流對應為直流分量而正序電流對應二倍頻交流量。

為了抑制雙饋風力發(fā)電機定子匝間故障后的負序電流，本發(fā)明一種雙饋風力發(fā)電機定子匝間短路負序電流抑制方法，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子三相電壓參考量；

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

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

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分別為轉子側為消除轉子電壓、電流交叉耦合的補償項,通過編碼器的到轉子空間位置角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功功率的實測值和參考值。首先對定子電壓電流采樣，計算得到實際定子輸出功率，采用定子磁鏈定向矢量控制實現(xiàn)電機功率解耦和最大風能追蹤控制。當發(fā)電機不發(fā)生故障時，可以實現(xiàn)電機正常運行。

負序電流控制器為：

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

步驟(2)中定子負序電流和轉子負序電流通過如下方式獲取：

(201)采集定子三相電流和轉子三相電流；

(202)對定子三相電流和轉子三相電流分別在負序旋轉軸系下進行負序旋轉變換，得到負序旋轉軸系中的d軸定子電流、q軸定子電流、d軸轉子電流和q軸轉子電流；

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

步驟(3)中通過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)。

當電機發(fā)生故障時，負序電流抑制控制器。控制器中負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序旋轉軸系下的負序電流。在傳統(tǒng)定子磁鏈定向矢量控制的基礎上添加負序電流控制器，在轉子側注入諧波電壓，該方法旨在消除定子電流中的負序分量，使定子電流趨于對稱,從而抑制故障時定子的輸出功率脈動，改善電能質量，使DFIG仍能夠平穩(wěn)發(fā)電運行。

對施加控制策略前后的功率以及電流波形進行了仿真，仿真參數(shù)如表1所示，給定有功功率為P＝5.5kW，無功功率Q＝0var，短路系數(shù)μ＝0.05，仿真結果如圖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，電機正常運行時，定子輸出有功功率平穩(wěn)，定子負序電流幅值趨近于零，當定子繞組發(fā)生匝間短路故障時，定子輸出有功功率會產(chǎn)生較大脈動，定子負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，以及抑制負序電流對定子電流波形的改善效果，圖3(d)顯示定子匝間短路環(huán)電流無明顯變化。

表1雙饋電機參數(shù)

仿真結果表明，采用定子負序電流抑制措施后，定子輸出有功功率脈動極大減小，定子負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。

結合MATLAB/Simulink構建基于dSPACE1007的DFIG半實物仿真平臺。實驗平臺包括模擬風機的原動機、模擬定子繞組匝間短路故障的雙饋異步電機、風力機控制屏、轉子側變頻器控制屏、網(wǎng)側變頻器控制屏、并網(wǎng)控制屏、模擬故障屏、dSPACE1007和計算機等部分組成。圖4為實驗平臺結構圖。圖5所示為定子繞組電氣原理圖，從定子中性點往端部，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，雙饋電機轉速1144rpm，故障端子選擇A1、Y(9匝，0.0469)。參數(shù)與表1一致?？紤]到故障對電雙饋電機出力的影響以及為了保護實驗設備，給定有功率為2700W，無功功率為0。實驗結果如圖6所示。

圖6(a)為定子負序電流幅值波形圖，正常并網(wǎng)發(fā)電時，受電機輕微固有不對稱和電網(wǎng)電壓質量的影響，存在微小的負序電流，在t＝1.5s時發(fā)生定子匝間短路故障，負序電流幅值突然增大，當t＝4s時施加負序電流控制策略，負序電流幅值明顯減小。圖6(b)為定子輸出有功功率波形圖，在正常工況運行時，定子輸出有功功率較平穩(wěn)，發(fā)生故障時脈動明顯，加入負序電流抑制的容錯控制策略后，定子輸出有功功率脈動大幅減小。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)生嚴重畸變，負序電流控制環(huán)啟動后，三相定子電流趨于正常，圖6(d)為實驗時定子匝間短路環(huán)電流波形圖，由于將抽頭直接短接，過渡電阻為零，因而電流較大。

仿真和實驗證明，該策略可以有效的抑制定子側輸出功率脈動，減小定子故障時的負序電流，從而減小電機內(nèi)部損耗，。對海上雙饋電機的早期定子繞組匝間故障起到了抑制作用，可以使雙饋電機仍能夠"跛行"發(fā)電，對未來海上風力發(fā)電機容錯控制技術的發(fā)展具有借鑒意義。