CN103904971A - 基于双馈异步电机的故障控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双馈异步电机的故障控制装置包括：一监控模块与双馈异步电机相连；一切换模块与监控单元相连，用于当检测到转子开路电压大于第一阈值时，使一双滞环电流矢量调节器与机侧变流器相连；一第一解耦模块与双馈异步电机相连；一第一比较模块与第一解耦模块和PI电流调节器相连；一第二解耦模块，用于将参考电流转变为参考三相电流；一第二比较模块与第二解耦模块相连，用于将输出的三相交流电流与参考三相电流比较，获得第二电流误差信号；双滞环电流矢量调节器与第二比较模块相连，用于根据第二电流误差信号进行调节，输出第二控制信号至机侧变流器；机侧变流器与双馈异步电机相连，在获得第二控制信号后，提供三相交流电流至双馈异步电机。

Description

基于双馈异步电机的故障控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及异步发电机技术领域，尤其涉及一种基于双馈异步电机的故障控制装置及其方法。 

背景技术

目前，兆瓦级双馈异步发电机（Double-Fed Induction Generator，简称DFIG）广泛应用于变速风力发电系统中，其特殊的入网方式以及功率的调节方式，会引起机组对电网的扰动非常敏感。当电网故障会引起双馈异步电机端的电压跌落，于是导致双馈异步发电机的转子绕组产生过电流，若不采取适当的措施加以限制，则必引起双馈异步发电机的转子侧变换器的因过电流所产生大量热而对其造成损坏，而传统控制方法普遍存有瞬态响应速度慢和控制带宽窄的缺点。因此需要提供一种基于双馈异步发电机的故障控制方法或装置。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于双馈异步发电机的故障控制装置，其利用双滞环电流矢量调节器来进行故障控制。由于双滞环电流矢量调节器具有非常快的瞬态响应速度和较宽的控制带宽，从而可以满足电网对双馈异步发电机的故障穿越要求。 

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。 

一种基于双馈异步电机的故障控制装置，包括：一监控模块，与双馈异步电机相连，所述监控模块用于检测所述双馈异步电机的转子开路电压；一切换模块，与所述监控模块相连，所述切换模块用于当所述监控模块检测到转子开路电压低于一第一阈值时，执行切换命令，以使一PI电流调节器与一机侧变流器相连；当所述监控模块检测到转子开路电压大于一第一阈值时，执行切换命令，以使一双滞环电流矢量调节器与所述机侧变流器相连；一第一解耦模块，与所述双馈异步电机相连，所述第一解耦模块用于将所述双馈异步电机输出的三相交流电流转为二相交流电流；一第一比较模块，与所述第一解耦模块相连，所述第一比较模块用于将转换后的二相交流电流与一参考电流相比较，以获得一第一电流误差信号；所述PI电流调节器，与所述第一比较模块相连，所述PI电流调节器用于根据第一电流误差信号，对转换后的二相交流电流进行PI式调节，并输出一第一控制信号至所述机侧变流器；所述机侧变流器，与所述双馈异步电机相连，所述机侧变流器用于在获得第一控制信号后，提供三相交流电流至所述双馈异步电机，以及在获得第二控制信号后，提供三相交流电流至所述双馈异步电机；一第二解耦模块，用于将所述参考电流转变为参考三相电流；一第二比较模块，与所述第二解耦模块相连，所述第二比较模块用于将所述双馈异步电机输出的三相交流电流与所述参考三相电流相比较，以获得一第二电流误差信号； 所述双滞环电流矢量调节器，与所述第二比较模块相连，所述双滞环电流矢量调节器用于根据第二电流误差信号，对所述双馈异步电机输出的三相交流电流的每一相进行调节，并输出一第二控制信号至所述机侧变流器。 

作为可选的技术方案，所述基于双馈异步电机的故障控制装置进一步包括一滤波模块，所述滤波模块分别与所述双滞环电流矢量调节器和PI电流调节器相连，用于根据所述双滞环电流矢量调节器所输出的一门信号来输出一低频信号至PI电流调节器，以使PI电流调节器重新初始化。 

作为可选的技术方案，所述PI电流调节器包括一支持向量机，所述支持向量机用于根据第一电流误差信号，通过线型归类方法对转换后的二相交流电流进行PI式调节，以输出一第一控制信号。 

本发明的另一目的在于，还提供一种基于双馈异步电机的故障控制方法，采用上述的基于双馈异步电机的故障控制装置，包括以下步骤：（1）通过一监控模块来检测所述双馈异步电机的转子开路电压；（2）当所述监控模块检测到转子开路电压低于一第一阈值时，通过一切换模块执行切换命令，以使一PI电流调节器与一机侧变流器相连；（3）通过第一解耦模块将所述双馈异步电机输出的三相交流电流转为二相交流电流；（4）通过第一比较模块将转换后的二相交流电流与一参考电流相比较，以获得一第一电流误差信号；（5）在获得第一电流误差信号之后，对转换后的二相交流电流进行PI式调节，并输出一第一控制信号至所述机侧变流器；（6）在获得第一控制信号后，通过机侧变流器来提供三相交流电流至所述双馈异步电机；（7）当所述监控模块检测到转子开路电压大于一第一阈值时，通过切换模块执行切换命令，以使一双滞环电流矢量调节器与所述机侧变流器相连；（8）通过第二解耦模块将所述参考电流转变为参考三相电流；（9）通过第二比较模块将所述双馈异步电机输出的三相交流电流与所述参考三相电流相比较，以获得一第二电流误差信号；（10）在获得第二电流误差信号之后，通过双滞环电流矢量调节器对所述双馈异步电机输出的三相交流电流的每一相进行调节，并输出一第二控制信号至所述机侧变流器；（11）在获得第二控制信号后，通过机侧变流器来提供三相交流电流至所述双馈异步电机。 

作为可选的技术方案，所述基于双馈异步电机的故障控制方法在步骤（11）之后，进一步包括步骤：在所述双滞环电流矢量调节器输出的一门信号之后，通过滤波模块输出一低频信号至PI电流调节器，以使PI电流调节器重新初始化。 

作为可选的技术方案，所述PI电流调节器包括一支持向量机，所述基于双馈异步电机的故障控制方法在步骤（5）中进一步包括：根据第一电流误差信号，通过支持向量机并且以线型归类方法对转换后的二相交流电流进行PI式调节，以输出一第一控制信号。 

本发明的优点在于，利用双滞环电流矢量调节器来进行故障控制。由于双滞环电流矢量调节器具有非常快的瞬态响应速度和较宽的控制带宽，从而可以满足电网对双馈异步发电机的故障穿越要求。 

附图说明

图1是本发明所述基于双馈异步电机的故障控制装置的架构图。 

图2是所述切换模块所输出的电压矢量分布示意图。 

图3是所述双滞环电流矢量调节器的原理框图。 

图4是本发明所述基于双馈异步电机的故障控制方法的步骤流程图。 

图中的标号分别表示： 

110、双馈异步电机；120、监控模块； 

130、切换模块；140、第一解耦模块； 

150、第一比较模块；160、PI电流调节器； 

170、机侧变流器；180、第二解耦模块； 

190、第二比较模块；1100、双滞环电流矢量调节器； 

1110、滤波模块。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的基于双馈异步电机的故障控制装置及其方法的具体实施方式做详细说明。 

参见图1所示，一种基于双馈异步电机的故障控制装置，包括： 

一监控模块120，与双馈异步电机110相连，所述监控模块120用于检测所述双馈异步电机的转子开路电压。 

一切换模块130，与所述监控模块120相连，所述切换模块130用于当所述监控模块120检测到转子开路电压低于一第一阈值时，执行切换命令，以使一PI电流调节器160与一机侧变流器170相连；当所述监控模块120检测到转子开路电压大于一第一阈值时，执行切换命令，以使一双滞环电流矢量调节器1100与所述机侧变流器170相连。 

其中，在切换模块130中引入开关函数Sa、Sb、Sc，所述切换模块130共有8种开关模式，由分析可知三相桥臂之间存在关联现象，所述切换模块130输出的各相电压取决于其三相桥臂的总体状态SaSbSc，为了消除相间的影响，引入空间矢量，即静止正交αβ坐标。当α轴与a轴重合时，所述切换模块130输出的电压矢量为  $u_r=\frac{1}{3}{U}_{\mathrm{dc}}[({2S}_a-1)+({2S}_b-1)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{3}}+({2S}_c-1)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{3}}].$ 如果考虑所有的S_aS_bS开关状态组合，可 得切换模块130输出的8个离散电压矢量为， $\left\{\begin{array}{c}{u}_r=\frac{2}{3}{U}_{\mathrm{dc}}{e}^{j\frac{k-1}{3}\mathrm{\π}};k=\mathrm{1,2},\·\·\·,6\\ u_r=u_0=u_7=0;k=\mathrm{0,7}\end{array}\right.$ 由上述等式可知，所述切换模块130输出的离散电压矢量由6个非零电压矢量(u1～u6)和2个零电压矢量(u0/u7)组成，其空间分布及参考电压区间如图2所示。 

一第一解耦模块140，与所述双馈异步电机110相连，所述第一解耦模块140用于将所述双馈异步电机输出的三相交流电流转为二相交流电流。 

一第一比较模块150，与所述第一解耦模块140相连，所述第一比较模块150用于将转换后的二相交流电流与一参考电流相比较，以获得一第一电流误差信号。 

所述PI电流调节器160，与所述第一比较模块150相连，所述PI电流调节器160用于根据第一电流误差信号，对转换后的二相交流电流进行PI式调节，并输出一第一控制信号至所述机侧变流器。在本实施方式中，所述PI电流调节器160包括一支持向量机，所述支持向量机用于根据第一电流误差信号，通过线型归类方法对转换后的二相交流电流进行PI式调节，以输出一第一控制信号。 

所述机侧变流器170，与所述双馈异步电机110相连，所述机侧变流器170用于在获得第一控制信号后，提供三相交流电流至所述双馈异步电机110，以及在获得第二控制信号后，提供三相交流电流至所述双馈异步电机110。 

一第二解耦模块180，用于将所述参考电流转变为参考三相电流。如图1中所示，参考电流转变为参考三相电流

一第二比较模块190，与所述第二解耦模块180相连，所述第二比较模块190用于将所述双馈异步电机输出的三相交流电流（例如i_rabc）与所述参考三相电流

相比较，以获得一第二电流误差信号。 

所述双滞环电流矢量调节器1100，与所述第二比较模块190相连，所述双滞环电流矢量调节器1100用于根据第二电流误差信号，对所述双馈异步电机110输出的三相交流电流的每一相进行调节，并输出一第二控制信号至所述机侧变流器170。其中当双馈异步发电机110的转子开路电压突然发生跌落时，所述监控模块120检测到电压的变化量，同时转子电流会迅速上升，即双馈异步发电机110的转子绕组将产生较大的冲击振荡电流，原本采用的PI电流调节器由于其动态响应速度不足以维持转子瞬态电流的精确控制，电流跟踪误差信号（即第一电流误差信号）将超过PI电流调节器160的误差带宽，当该电流跟踪误差信号达到双滞环电流矢量调节器1100的电流设计值I_th-VBDHCC时（即转子开路电压大于一第一 阈值），所述监控模块120激活双滞环电流矢量调节器1100，并且通过与参考电流的比较来进行三相电流的控制调节。由于采用双滞环电流矢量调节器1100，其具有瞬态快速响应性，使得双馈异步电机110的转子不会出现过电流现象，从而提高双馈异步电机110故障穿越能力。 

作为可选的技术方案，所述基于双馈异步电机的故障控制装置进一步包括一滤波模块1110。所述滤波模块1110包括一阶低通滤波器。所述滤波模块1110分别与所述双滞环电流矢量调节器1100和PI电流调节器160相连，用于根据所述双滞环电流矢量调节器1110所输出的一门信号来输出一低频信号至PI电流调节器160，以使PI电流调节器重新初始化。由于双滞环电流矢量调节器1110具有非常快的瞬态响应，可以忽略的响应时间，其强迫所述双馈异步电机110所输出的转子电流保持在一滞环带宽内。但是由于PI电流调节器160瞬态响应速度慢，若从双滞环电流矢量调节器1110直接过渡至PI电流调节器160是不可取的，因为直接过渡会使得转子绕组中产生较大的电流振荡。因此，为了获得一个较稳定的过渡，在过渡时，利用双滞环电流矢量调节器1110所输出的一门信号，经过一阶低通滤波器而输出一低频信号至PI电流调节器160，从而重新初始化PI电流调节器160。 

在本实施方式中，通过对双馈异步发电机110的转子建立参考坐标，可以获得双馈异步发电机110的转子侧变换器（等同于机侧变流器）的输出电压为

若定义电流误差Δi_r＝i_r ^*-i_r，式中i_r ^*为电流的参考值，i_r为电流的测量值。于是双馈异步发电机110的转子电流误差的矢量方程为

若忽略转子电阻，要使转子电流的误差矢量为零，因此需定义切换模块的输出参考电压矢量为 

从而得简化的双馈异步发电机110的转子电流误差矢量方程为 为了要完全消除双馈异步发电机110的转子侧变换器的电流跟踪误差，必须计算出参考电压矢量然而由于在实务操作中，准确地获得双馈异步发电机110的转子开路电压u_r0和参考电流的导数

难以实现，因此不可能准确计算出参考电压矢量 

实际上不需要计算参考电压矢量

只要判断出参考电压矢量

所处的空间位置，并且适当地选择双馈异步发电机110的转子侧变换器的输出电压矢量，以控制转子电流误差矢量Δi_r的变化率

从而达到控制双馈异步发电机110的转子的电流误差矢量Δi_r。双滞环电流矢量调节器原理如图3所示，而双滞环电流矢量调节器1110的开关状态选择表如下所示： 

在本实施方式中，所述双滞环电流矢量调节器包括两组滞环比较器。其中一组为滞环带宽为δ+Δδ的辅滞环比较器，根据其输出的状态值B_aoB_boB_co来确定参考电压

所处的空间位置，由此确定出切换模块的输出最优电压矢量集。另一组为滞环带宽为δ的主滞环比较器，用于跟踪参考三相电流。根据其输出的状态值B_aiB_biB_ci，利用区间侦测器（用于根据

所处的空间位置来判断该空间矢量所处的空间位置区间判断的装置）所确定的最优电压集，选择最优电压作为切换模块的输出电压矢量。 

继续参见图1，当双馈异步电机正常运行及电压跌落稳定后，所述PI电流调节器以最优稳态性能来调节双馈异步电机的转子电流。在电压跌落瞬态期间，双馈异步电机的转子绕组会产生较大的冲击振荡电流，PI电流调节器的动态响应速度不足以维持转子瞬态电流的精确控制，电流跟踪误差信号将超过PI电流调节器的误差带宽，当该电流跟踪误差信号达到双滞环电流矢量调节器的电流设计值I_th-VBDHCC时（即转子开路电压大于一第一阈值），所述监控模块激活双滞环电流矢量调节器，以进行控制双馈异步发电机的转子的电流误差矢量。在双馈异步发电机的电压恢复过程中两个开关控制策略（即PI电流调节器和双滞环电流矢量调节器）之间的转换原理同电压跌落期间一样。 

本发明还提供一种基于双馈异步电机的故障控制方法，采用上述的基于双馈异步电机的故障控制装置，包括以下步骤： 

参考图4所示，步骤S410：通过一监控模块来检测所述双馈异步电机的转子开路电压。 

步骤S420：当所述监控模块检测到转子开路电压低于一第一阈值时，通过一切换模块执行切换命令，以使一PI电流调节器与一机侧变流器相连。 

步骤S430：通过第一解耦模块将所述双馈异步电机输出的三相交流电流转为二相交流电流。 

步骤S440：通过第一比较模块将转换后的二相交流电流与一参考电流相比较，以获得一第一电流误差信号。 

步骤S450：在获得第一电流误差信号之后，对转换后的二相交流电流进行PI式调节，并输出一第一控制信号至所述机侧变流器。 

作为可选的技术方案，所述PI电流调节器包括一支持向量机，所述步骤S450中进一步包括：根据第一电流误差信号，通过支持向量机并且以线型归类方法对转换后的二相交流电流进行PI式调节，以输出一第一控制信号。 

步骤S460：在获得第一控制信号后，通过机侧变流器来提供三相交流电流至所述双馈异步电机。 

步骤S470：当所述监控模块检测到转子开路电压大于一第一阈值时，通过切换模块执行切换命令，以使一双滞环电流矢量调节器与所述机侧变流器相连。 

步骤S480：通过第二解耦模块将所述参考电流转变为参考三相电流。 

步骤S490：通过第二比较模块将所述双馈异步电机输出的三相交流电流与所述参考三相电流相比较，以获得一第二电流误差信号。 

步骤S4100：在获得第二电流误差信号之后，通过双滞环电流矢量调节器对所述双馈异步电机输出的三相交流电流的每一相进行调节，并输出一第二控制信号至所述机侧变流器。 

步骤S4110：在获得第二控制信号后，通过机侧变流器来提供三相交流电流至所述双馈异步电机。 

作为可选的技术方案，所述基于双馈异步电机的故障控制方法在步骤S4110之后，进一步包括步骤：在所述双滞环电流矢量调节器输出的一门信号之后，通过滤波模块输出一低频信号至PI电流调节器，以使PI电流调节器重新初始化。 

由于双滞环电流矢量调节器具有非常快的瞬态响应，可以忽略的响应时间，其强迫所述双馈异步电机所输出的转子电流保持在一滞环带宽内。但是由于PI电流调节器瞬态响应速度慢，若从双滞环电流矢量调节器直接过渡至PI电流调节器是不可取的，因为直接过渡会使得转子绕组中产生较大的电流振荡。因此，为了获得一个较稳定的过渡，在过渡时，利用双滞环电流矢量调节器所输出的一门信号，经过一阶低通滤波器而输出一低频信号至PI电流调节器，从而重新初始化PI电流调节器。 

由此可见，利用双滞环电流矢量调节器来进行故障控制。由于双滞环电流矢量调节器具有非常快的瞬态响应速度和较宽的控制带宽，从而可以满足电网对双馈异步发电机的故障穿越要求。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种基于双馈异步电机的故障控制装置，其特征在于，包括：

一监控模块，与双馈异步电机相连，所述监控模块用于检测所述双馈异步电机的转子开路电压；

一切换模块，与所述监控模块相连，所述切换模块用于当所述监控模块检测到转子开路电压低于一第一阈值时，执行切换命令，以使一PI电流调节器与一机侧变流器相连；当所述监控模块检测到转子开路电压大于一第一阈值时，执行切换命令，以使一双滞环电流矢量调节器与所述机侧变流器相连；

一第一解耦模块，与所述双馈异步电机相连，所述第一解耦模块用于将所述双馈异步电机输出的三相交流电流转为二相交流电流；

一第一比较模块，与所述第一解耦模块相连，所述第一比较模块用于将转换后的二相交流电流与一参考电流相比较，以获得一第一电流误差信号；

所述PI电流调节器，与所述第一比较模块相连，所述PI电流调节器用于根据第一电流误差信号，对转换后的二相交流电流进行PI式调节，并输出一第一控制信号至所述机侧变流器；所述机侧变流器，与所述双馈异步电机相连，所述机侧变流器用于在获得第一控制信号后，提供三相交流电流至所述双馈异步电机，以及在获得第二控制信号后，提供三相交流电流至所述双馈异步电机；

一第二解耦模块，用于将所述参考电流转变为参考三相电流；

一第二比较模块，与所述第二解耦模块相连，所述第二比较模块用于将所述双馈异步电机输出的三相交流电流与所述参考三相电流相比较，以获得一第二电流误差信号；

所述双滞环电流矢量调节器，与所述第二比较模块相连，所述双滞环电流矢量调节器用于根据第二电流误差信号，对所述双馈异步电机输出的三相交流电流的每一相进行调节，并输出一第二控制信号至所述机侧变流器。

2.根据权利要求1所述基于双馈异步电机的故障控制装置，其特征在于，进一步包括一滤波模块，所述滤波模块分别与所述双滞环电流矢量调节器和PI电流调节器相连，用于根据所述双滞环电流矢量调节器所输出的一门信号来输出一低频信号至PI电流调节器，以使PI电流调节器重新初始化。

3.根据权利要求1所述基于双馈异步电机的故障控制装置，其特征在于，所述PI电流调节器包括一支持向量机，所述支持向量机用于根据第一电流误差信号，通过线型归类方法对转换后的二相交流电流进行PI式调节，以输出一第一控制信号。

4.一种基于双馈异步电机的故障控制方法，采用权利要求1所述的基于双馈异步电机的故障控制装置，其特征在于，包括以下步骤：

（1）通过一监控模块来检测所述双馈异步电机的转子开路电压；

（2）当所述监控模块检测到转子开路电压低于一第一阈值时，通过一切换模块执行切换命令，以使一PI电流调节器与一机侧变流器相连；

（3）通过第一解耦模块将所述双馈异步电机输出的三相交流电流转为二相交流电流；

（4）通过第一比较模块将转换后的二相交流电流与一参考电流相比较，以获得一第一电流误差信号；

（5）在获得第一电流误差信号之后，对转换后的二相交流电流进行PI式调节，并输出一第一控制信号至所述机侧变流器；

（6）在获得第一控制信号后，通过机侧变流器来提供三相交流电流至所述双馈异步电机；

（7）当所述监控模块检测到转子开路电压大于一第一阈值时，通过切换模块执行切换命令，以使一双滞环电流矢量调节器与所述机侧变流器相连；

（8）通过第二解耦模块将所述参考电流转变为参考三相电流；

（9）通过第二比较模块将所述双馈异步电机输出的三相交流电流与所述参考三相电流相比较，以获得一第二电流误差信号；

（10）在获得第二电流误差信号之后，通过双滞环电流矢量调节器对所述双馈异步电机输出的三相交流电流的每一相进行调节，并输出一第二控制信号至所述机侧变流器；

（11）在获得第二控制信号后，通过机侧变流器来提供三相交流电流至所述双馈异步电机。

5.根据权利要求4所述基于双馈异步电机的故障控制方法，其特征在于，在步骤（11）之后，进一步包括步骤：在所述双滞环电流矢量调节器输出的一门信号之后，通过滤波模块输出一低频信号至PI电流调节器，以使PI电流调节器重新初始化。

6.根据权利要求4所述基于双馈异步电机的故障控制方法，其特征在于，所述PI电流调节器包括一支持向量机，所述故障控制方法在步骤（5）中进一步包括：根据第一电流误差信号，通过支持向量机并且以线型归类方法对转换后的二相交流电流进行PI式调节，以输出一第一控制信号。

Images