CN103995245B - 双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法 - Google Patents

Abstract

双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，属于电气控制领域。它是为了解决双馈风电系统的定转子电流信号检测系统发生故障后影响整个系统的可靠性的问题。本发明所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，在双馈风力发电机电压和磁链方程的基础上推导电流状态方程，根据模型参考自适应理论建立了定转子电流观测器；通过分析观测器状态变量输出误差，然后比较电流各相观测值和实际值找出传感器故障具体来源。本发明基于模型参考自适应理论，电流观测值不依赖于相应的传感器采样值，提高了故障判断的快速性和准确性。本发明适用于为双馈风力发电机定转子电流信号检测系统进行故障判断。

Description

双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法

技术领域

本发明属于电气控制领域。

背景技术

双馈电机的定转子均和电网相连接，既可作为发电机运行，也可作为电动机运行。作为风力发电机使用时，双馈电机定子绕组通常与电网直接相连，转子绕组通过变流器与电网相连，变流器为转子提供幅值、频率、相位可调的交流电源，如图1所示。双馈风力发电机组属于变速恒频发电机组，具有运行范围宽、风能转换效率高、输出功率平稳和机械应力低等优点，而且通过矢量变换和矢量定向控制技术，能实现定子输出有功功率和无功功率的独立解耦控制，提高了电力系统的灵活性和动、静态稳定性，是目前应用最为广泛的风力发电机组类型。

随着风电场的发电容量增大以及海上风电场规模扩大，对双馈风力发电系统的可靠性有了更高的要求。双馈风电系统的可靠性取决于信号检测系统、控制系统及电气系统等的稳定运行。但是由于风电系统的信号检测系统包括传感器采样，信号调理以及AD采样及相关信号传输等中间环节，这就造成双馈风电系统长期工作过程中，不可避免的会发生电流、电压等信号检测系统故障问题。因此判断故障的有无和位置极其重要，而且只有快速确定故障是否发生、故障的确切位置并且及时替换故障信号才能增强风电系统的稳定性。

发明内容

本发明是为了解决双馈风电系统的定转子电流信号检测系统发生故障后影响整个系统的可靠性的问题，现提供双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法。

双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，该方法包括：

步骤一：分别采集双馈发电机的定子电压信号u_{s_abc}、定子电流信号i_{s_abc}、转子电流信号i_{r_abc}和转子电压控制信号u_{r_dq}；

步骤二：对定子电压信号u_{s_abc}进行Clark变换，获得静止两相坐标系下定子电压信号u_{s_αβ}，对该静止两相坐标系下定子电压信号u_{s_αβ}进行Park变换，获得同步旋转坐标系下定子电压信号u_{s_dq}；

对定子电流信号i_{s_abc}进行Clark变换，获得静止两相坐标系下的定子电流信号i_{s_αβ}，对该静止两相坐标系下定子电流信号i_{s_αβ}进行Park变换，获得同步旋转坐标系下定子电流信号i_{s_dq}；

对转子电流信号i_{r_abc}进行Clark变换，获得静止两相坐标系下转子电流信号i_{r_αβ}，对该静止两相坐标系下转子电流信号i_{r_αβ}进行Park变换，获得同步旋转坐标系下转子电流信号i_{r_dq}；

步骤三：将同步旋转坐标系下定子电流信号i_{s_dq}和同步旋转坐标系下转子电流信号i_{r_dq}作为状态变量，将同步旋转坐标系下定子电压信号u_{s_dq}和转子电压控制信号u_{r_dq}作为定转子输入变量，根据双馈电机电压方程和磁链方程，建立定转子电流离散状态方程；

步骤四：利用定转子离散时间状态方程并结合降阶观测器设计理论，分别建立定子电流观测器和转子电流观测器，

利用定子电流观测器获得同步旋转坐标系下定子电流观测值

利用转子电流观测器获得同步旋转坐标系下转子电流观测值

步骤五：根据定子电流预测方程获得定子电流预测值i′_{s_dq}，根据转子电流预测方程获得转子电流预测值i′_{r_dq}，根据同步旋转坐标系下定子电流信号i_{s_dq}、同步旋转坐标系下转子电流信号i_{r_dq}、同步旋转坐标系下定子电流预测值i′_{s_dq}和同步旋转坐标系下转子电流预测值i′_{r_dq}，获得定子电流信号检测系统故障差值R_es和转子电流信号检测系统故障差值R_er；

步骤六：将定子电流信号检测系统故障差值R_es与转子电流信号检测系统故障差值R_er作差，获得差值信息R_c，根据同步旋转坐标系下的定子电流预测值i′_{s_dq}和同步旋转坐标系下的转子电流预测值i′_{r_dq}与相应的实际值的稳态误差确定差值信息R_c的判断阈值+δ和-η，并将差值信息R_c分别与判断阈值+δ和-η进行比较，

当R_c＞+δ时，则双馈风力发电机的定子电流信号检测系统发生故障，然后执行步骤七；

当R_c＜-η时，则双馈风力发电机的转子电流信号检测系统发生故障，然后执行步骤八；

步骤七：将同步旋转坐标系下定子电流观测值进行反坐标变换，获得静止三相坐标系下定子A相电流观测值和定子B相电流观测值同时采集静止三相坐标系下定子A相电流实际值i_sa和定子B相电流实际值i_sb；

将与定子A相电流阈值δ_sa进行比较，当大于定子A相电流阈值δ_sa时，则定子A相电流信号检测系统发生故障；其中，定子A相电流阈值δ_sa为静止三相坐标系下定子A相电流观测值与静止三相坐标系下定子A相电流实际值i_sa稳态误差的最大值；

将与定子B相电流阈值δ_sb进行比较，当大于定子B相电流阈值δ_sb时，则定子B相电流信号检测系统发生故障；其中，定子B相电流阈值δ_sb为静止三相坐标系下定子B相电流观测值与静止三相坐标系下定子B相电流实际值i_sb稳态误差的最大值；

步骤八：将同步旋转坐标系下的转子电流观测值进行反坐标变换，获得静止三相坐标系下的转子A相电流观测值和转子B相电流观测值同时采集静止三相坐标系下转子A相电流实际值i_ra和转子B相电流实际值i_rb；

将与转子A相电流阈值δ_ra进行比较，当大于转子A相电流阈值δ_ra时，则转子A相电流信号检测系统发生故障；其中，转子A相电流阈值δ_ra为静止三相坐标系下转子A相电流观测值与静止三相坐标系下转子A相电流实际值i_ra稳态误差的最大值；

将与转子B相电流阈值δ_rb进行比较，当大于转子B相电流阈值δ_rb时，则转子B相电流信号检测系统发生故障；其中，转子B相电流阈值δ_rb为静止三相坐标系下转子B相电流观测值与静止三相坐标系下转子B相电流实际值i_ra稳态误差的最大值。

本发明所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，故障判断信号来自于观测器模型和实测的状态变量偏差的模，信号检测系统故障时能够快速得到故障判断信号；定、转子电流观测值能够作为电流信号检测系统故障时的冗余信号用于控制系统，为信号检测系统故障时的容错控制提供基础，能够实时观测双馈风力发电机定转子电流实际值，增加双馈风电系统的可靠性；且定、转子电流观测值分别和定、转子电流信号检测系统获得的测量值之间相互独立，提高了电流观测器的准确性。本发明适用于为双馈风力发电机定转子电流信号检测系统进行故障判断。

附图说明

图1为双馈风力发电机在实际应用中的控制系统框图；

图2为具体实施方式四所述的建立定子电流观测器的原理示意图；

图3为具体实施方式五所述的建立转子电流观测器的原理示意图；

图4为步骤六中对电流信号检测系统故障进行判断的原理示意图；

图5为步骤七中对定子电流信号检测系统故障进行判断的原理示意图；

图6为步骤八中对转子电流信号检测系统故障进行判断的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图4、5和6具体说明本实施方式，本实施方式所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，该方法包括：

步骤一：分别采集双馈发电机的定子电压信号u_{s_abc}、定子电流信号i_{s_abc}、转子电流信号i_{r_abc}和转子电压控制信号u_{r_dq}；

步骤二：对定子电压信号u_{s_abc}进行Clark变换，获得静止两相坐标系下定子电压信号u_{s_αβ}，对该静止两相坐标系下定子电压信号u_{s_αβ}进行Park变换，获得同步旋转坐标系下定子电压信号u_{s_dq}；

对定子电流信号i_{s_abc}进行Clark变换，获得静止两相坐标系下的定子电流信号i_{s_αβ}，对该静止两相坐标系下定子电流信号i_{s_αβ}进行Park变换，获得同步旋转坐标系下定子电流信号i_{s_dq}；

对转子电流信号i_{r_abc}进行Clark变换，获得静止两相坐标系下转子电流信号i_{r_αβ}，对该静止两相坐标系下转子电流信号i_{r_αβ}进行Park变换，获得同步旋转坐标系下转子电流信号i_{r_dq}；

步骤三：将同步旋转坐标系下定子电流信号i_{s_dq}和同步旋转坐标系下转子电流信号i_{r_dq}作为状态变量，将同步旋转坐标系下定子电压信号u_{s_dq}和转子电压控制信号u_{r_dq}作为定转子输入变量，根据双馈电机电压方程和磁链方程，建立定转子电流离散状态方程；

步骤四：利用定转子离散时间状态方程并结合降阶观测器设计理论，分别建立定子电流观测器和转子电流观测器，

利用定子电流观测器获得同步旋转坐标系下定子电流观测值

利用转子电流观测器获得同步旋转坐标系下转子电流观测值

步骤五：根据定子电流预测方程获得定子电流预测值i′_{s_dq}，根据转子电流预测方程获得转子电流预测值i′_{r_dq}，根据同步旋转坐标系下定子电流信号i_{s_dq}、同步旋转坐标系下转子电流信号i_{r_dq}、同步旋转坐标系下定子电流预测值i′_{s_dq}和同步旋转坐标系下转子电流预测值i′_{r_dq}，获得定子电流信号检测系统故障差值R_es和转子电流信号检测系统故障差值R_er；

步骤六：将定子电流信号检测系统故障差值R_es与转子电流信号检测系统故障差值R_er作差，获得差值信息R_c，根据同步旋转坐标系下的定子电流预测值i′_{s_dq}和同步旋转坐标系下的转子电流预测值i′_{r_dq}与相应的实际值的稳态误差确定差值信息R_c的判断阈值+δ和-η，并将差值信息R_c分别与判断阈值+δ和-η进行比较，

当R_c＞+δ时，则双馈风力发电机的定子电流信号检测系统发生故障，然后执行步骤七；

当R_c＜-η时，则双馈风力发电机的转子电流信号检测系统发生故障，然后执行步骤八；

步骤七：将同步旋转坐标系下定子电流观测值进行反坐标变换，获得静止三相坐标系下定子A相电流观测值和定子B相电流观测值同时采集静止三相坐标系下定子A相电流实际值i_sa和定子B相电流实际值i_sb；

将与定子A相电流阈值δ_sa进行比较，当大于定子A相电流阈值δ_sa时，则定子A相电流信号检测系统发生故障；其中，定子A相电流阈值δ_sa为静止三相坐标系下定子A相电流观测值与静止三相坐标系下定子A相电流实际值i_sa稳态误差的最大值；

将与定子B相电流阈值δ_sb进行比较，当大于定子B相电流阈值δ_sb时，则定子B相电流信号检测系统发生故障；其中，定子B相电流阈值δ_sb为静止三相坐标系下定子B相电流观测值与静止三相坐标系下定子B相电流实际值i_sb稳态误差的最大值；

步骤八：将同步旋转坐标系下的转子电流观测值进行反坐标变换，获得静止三相坐标系下的转子A相电流观测值和转子B相电流观测值同时采集静止三相坐标系下转子A相电流实际值i_ra和转子B相电流实际值i_rb；

将与转子A相电流阈值δ_ra进行比较，当大于转子A相电流阈值δ_ra时，则转子A相电流信号检测系统发生故障；其中，转子A相电流阈值δ_ra为静止三相坐标系下转子A相电流观测值与静止三相坐标系下转子A相电流实际值i_ra稳态误差的最大值；

将与转子B相电流阈值δ_rb进行比较，当大于转子B相电流阈值δ_rb时，则转子B相电流信号检测系统发生故障；其中，转子B相电流阈值δ_rb为静止三相坐标系下转子B相电流观测值与静止三相坐标系下转子B相电流实际值i_ra稳态误差的最大值。

本实施方式步骤一中，所述定子电压信号u_{s_abc}通过双馈发电机定子绕组的定子电压信号检测系统获得；所述定子电流信号i_{s_abc}通过定子电流信号检测系统获得；所述转子电流信号i_{r_abc}通过转子电流信号检测系统获得；所述转子电压控制信号u_{r_dq}通过转子变流器PWM控制模块获得。

步骤六中，R_c是一个正负波动量，取其稳态最大为+δ，最小为-η作为阈值，在故障条件下得到的R_c不在这一范围内，所以可以判断定子故障还是转子故障。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中所述双馈电机电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{sd}={\mathrm{D\ψ}}_{sd}-{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{sq}-R_s{i}_{sd}\\ u_{sq}={\mathrm{D\ψ}}_{sq}+{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{sd}-R_s{i}_{sq}\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{u}_{rd}={\mathrm{D\ψ}}_{rd}-{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ψ}}_{rq}+R_r{i}_{rd}\\ u_{rq}={\mathrm{D\ψ}}_{rq}+{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ψ}}_{rd}+R_r{i}_{rq}\end{array}\right.,$

其中，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻；u_sd为同步旋转坐标系下d轴的定子电压分量，u_sq为同步旋转坐标系下q轴的定子电压分量；u_rd为同步旋转坐标系下d轴的转子电压分量，u_rq为同步旋转坐标系下q轴的转子电压分量；i_sd为同步旋转坐标系下d轴的定子电流分量，i_sq为同步旋转坐标系下q轴的定子电流分量；i_rd为同步旋转坐标系下d轴的转子电流分量，i_rq为同步旋转坐标系下q轴的转子电流分量；ψ_sd为同步旋转坐标系下d轴的定子磁链分量，ψ_sq为同步旋转坐标系下q轴的定子磁链分量；ψ_rd为同步旋转坐标系下d轴的转子磁链分量，ψ_rq为同步旋转坐标系下q轴的转子磁链分量；ω₁为定子同步角频率，ω₂为转子电角频率；D＝d/dt为微分算子；

所述磁链方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{sd}=-L_s{i}_{sd}+L_m{i}_{rd}\\ {\mathrm{\ψ}}_{sq}=-L_s{i}_{sq}+L_m{i}_{rq}\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{rd}=L_r{i}_{rd}-L_m{i}_{sd}\\ {\mathrm{\ψ}}_{rq}=L_r{i}_{rq}-L_m{i}_{sq}\end{array}\right.,$

其中，L_s为定子电感，L_r为转子电感，L_m为定子与转子的互感。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中所述定转子电流离散状态方程为：

i(k+1)＝A_di(k)+B_du(k)

式中，i(k)＝[i_sd i_sq i_rd i_rq]^T为状态变量，u(k)＝[u_sd u_sq u_rd u_rq]^T为输入变量；k为正整数；A_d为状态方程状态变量系数矩阵，B_d为状态方程输入变量系数矩阵，且有：

$A_d=\left[\begin{array}{cccc}1-\frac{R_s{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_s}& ({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{p\ω}}_m(\frac{1}{\mathrm{\σ}}-1\left)\right)T_s& -\frac{R_r{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}& -\frac{{\mathrm{p\ω}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_s}\\ -\[{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{p\ω}}_m\left(\frac{1}{\mathrm{\σ}}-1\right)\]T_s& 1-\frac{R_s{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_s}& \frac{{\mathrm{p\ω}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_s}& -\frac{R_r{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}\\ -\frac{R_s{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}& \frac{{\mathrm{p\ω}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r}& 1-\frac{R_r{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r}& ({\mathrm{\ω}}_1-\frac{{\mathrm{p\ω}}_m}{\mathrm{\σ}})T_s\\ -\frac{{\mathrm{p\ω}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r}& -\frac{R_s{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}& -({\mathrm{\ω}}_1-\frac{{\mathrm{p\ω}}_m}{\mathrm{\σ}})T_s& 1-\frac{R_r{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r}\end{array}\right],$

$B_d=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{T_s}{{\mathrm{\σL}}_s}& 0& \frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}& 0\\ 0& -\frac{T_s}{{\mathrm{\σL}}_s}& 0& \frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}\\ -\frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}& 0& \frac{T_s}{{\mathrm{\σL}}_r}& 0\\ 0& -\frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}& 0& \frac{T_s}{{\mathrm{\σL}}_r}\end{array}\right],$

其中，表示漏感系数，T_s为采样时间，p为双馈电机极对数，ω_m为子机械旋转角频率。

为实现机电能量转换，定子和转子旋转磁场应保持相对静止，即：定子同步角频率ω₁、转子电角频率ω₂和转子机械旋转角频率ω_m三者之间关系为ω₁＝pω_m±ω₂；取定转子电流{i_sd i_sq i_rd i_rq}为状态变量，以定转子电压{u_sd u_sq u_rd u_rq}为输入变量，建立定转子电流离散状态方程为：i(k+1)＝A_di(k)+B_du(k)。

具体实施方式四：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四所述建立定子电流观测器的方法为：

将定转子电流离散状态方程的状态变量i(k)分为不可直接测量的部分i_s(k)和可直接测量的部分i_r(k)，并将定转子电流离散状态方程改写为分块形式：

其中，

$A_{d12}=\left[\begin{array}{cc}-\frac{R_r{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}& -\frac{{\mathrm{p\ω}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_s}\\ \frac{{\mathrm{p\ω}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_s}& -\frac{R_r{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}\end{array}\right],$

$A_{d21}=\left[\begin{array}{cc}-\frac{R_s{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}& \frac{{\mathrm{p\ω}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r}\\ -\frac{{\mathrm{p\ω}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r}& -\frac{R_s{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}\end{array}\right],A_{d22}=\left[\begin{array}{cc}1-\frac{R_r{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r}& ({\mathrm{\ω}}_1-\frac{{\mathrm{p\ω}}_m}{\mathrm{\σ}})T_s\\ -({\mathrm{\ω}}_1-\frac{{\mathrm{p\ω}}_m}{\mathrm{\σ}})T& 1-\frac{R_r{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r}\end{array}\right],$

$B_{ds}=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{T_s}{{\mathrm{\σL}}_s}& 0& -\frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}& 0\\ 0& -\frac{T_s}{{\mathrm{\σL}}_s}& 0& \frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}\end{array}\right],B_{dr}=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}& 0& \frac{T_s}{{\mathrm{\σL}}_r}& 0\\ 0& -\frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\σL}}_r{L}_s}& 0& \frac{T_s}{{\mathrm{\σL}}_r}\end{array}\right],$

y_r(k)为输出向量，C为输出矩阵且C＝[0 0 1 1]，i_s(k+1)为不可测量部分定子电流的状态方程，i_r(k+1)为可测量部分转子电流的状态方程；

将可测量部分转子电流的状态方程写成输出方程的形式：

i_r(k+1)-A_d22i_r(k)-B_dru(k)＝A_d21i_s(k)

不可测量部分定子电流的状态方程为：

i_s(k+1)＝A_d11i_s(k)+A_d12i_r(k)+B_dsu(k)

根据上式将定转子电流离散状态方程改写为如下形式：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_s(k+1)=A_{d11}{i}_s\left(k\right)+\[\begin{array}{cc}{A}_{d12}& B_{ds}\end{array}\]\left[\begin{array}{c}{i}_r\left(k\right)\\ u\left(k\right)\end{array}\right]\\ y_1\left(k\right)=A_{d21}{i}_s\left(k\right)\end{array}\right.$

其中y₁(k)为第一输出向量，将该输出向量用可测量部分来表示：

y₁(k)＝i_r(k+1)-A_d22i_r(k)-B_dru(k)

根据全阶观测器设计理论，获得新状态方程子系统的全阶定子观测器模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_s(k+1)=(A_{d11}-K_s{A}_{d21}){\hat{i}}_s\left(k\right)+\[\begin{array}{cc}{A}_{d12}& B_{ds}\end{array}\]\left[\begin{array}{c}{i}_r\left(k\right)\\ u\left(k\right)\end{array}\right]+K_s{y}_1\left(k\right)\\ {\hat{y}}_1\left(k\right)=A_{d21}{\hat{i}}_s\left(k\right)\end{array}\right.$

其中，K_s为第一观测器反馈增益矩阵。

具体实施方式五：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四所述建立转子电流观测器的方法为：

将定转子电流离散状态方程的状态变量i(k)分为不可直接测量的部分i_r(k)和可直接测量的部分为i_s(k)，并将定转子电流离散状态方程改写为：

可测量部分定子电流的状态方程改写为：

i_s(k+1)-A_d11i_s(k)-B_dsu(k)＝A_d12i_r(k)

不可测量部分转子电流的状态方程为

i_r(k+1)＝A_d22i_r(k)+A_d21i_s(k)+B_dru(k)

根据上式将定转子电流离散状态方程改写为如下形式：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_r(k+1)=A_{d22}{i}_s\left(k\right)+\[\begin{array}{cc}{A}_{d21}& B_{dr}\end{array}\]\left[\begin{array}{c}{i}_s\left(k\right)\\ u\left(k\right)\end{array}\right]\\ y_2\left(k\right)=A_{d12}{i}_r\left(k\right)\end{array}\right.$

其中y₂(k)为第二输出向量，将该输出向量用可测量部分来表示：

y₂(k)＝i_s(k+1)-A_d11i_s(k)-B_dsu(k)

根据全阶观测器设计理论，获得新状态方程子系统的全阶转子观测器模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_r(k+1)=(A_{d22}-K_r{A}_{d12}){\hat{i}}_r\left(k\right)+\[\begin{array}{cc}{A}_{d12}& B_{dr}\end{array}\]\left[\begin{array}{c}{i}_s\left(k\right)\\ u\left(k\right)\end{array}\right]+K_r{y}_2\left(k\right)\\ {\hat{y}}_2\left(k\right)=A_{d12}{\hat{i}}_r\left(k\right)\end{array}\right.$

其中，K_r为第二观测器反馈增益矩阵。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法作进一步说明，本实施方式中，步骤五中所述根据定子电流预测方程获得定子电流预测值i′_{s_dq}，根据转子电流预测方程获得转子电流预测值i′_{r_dq}的方法为：

根据kT时刻的定、转子电压和电流对(k+1)T时刻的定、转子电流进行预测，预测方程为：

i′[(k+1)T]＝A_di(kT)+B_du(kT)

其中，i′＝[i′_sd i′_sq i′_rd i′_rq]^T为定、转子电流的预测值；T为系统采样周期。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法作进一步说明，本实施方式中，步骤五所述定子电流信号检测系统故障差值R_es和转子电流信号检测系统故障差值R_er分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{es}=\sqrt{{(i_{sd}^{\′}\[(k+1)T\]-i_{sd}\[(k+1)T\])}^2+{(i_{sq}^{\′}\[(k+1)T\]-i_{sq}\[(k+1)T\])}^2}\\ R_{er}=\sqrt{{(i_{rd}^{\′}\[(k+1)T\]-i_{rd}\[(k+1)T\])}^2+{(i_{sq}^{\′}\[(k+1)T\]-i_{rq}\[(k+1)T\])}^2}\end{array}\right.$

式中，i_sd为同步旋转坐标系下d轴的定子电流分量，i_sq为同步旋转坐标系下q轴的定子电流分量；i_rd为同步旋转坐标系下d轴的转子电流分量，i_rq为同步旋转坐标系下q轴的转子电流分量；i′_sd为同步旋转坐标系下d轴的定子电流预测值分量，i′_sq为同步旋转坐标系下q轴定子电流预测值分量；i′_rd为同步旋转坐标系下d轴的转子电流预测值分量，i′_rq同步旋转坐标系下q轴的转子电流预测值分量。

本实施方式中，所述定子电流信号检测系统故障差值R_es为定子电流观测值与定子电流实际值差值的模；转子电流信号检测系统故障差值R_er为转子电流观测值与转子电流实际值差值的模。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法作进一步说明，本实施方式中，所述差值信息R_c为：

R_c＝R_es-R_er。

Claims (7)

1.双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，该方法包括：

步骤一：分别采集双馈风力发电机的定子电压信号u_{s_abc}、定子电流信号i_{s_abc}、转子电流信号i_{r_abc}和转子电压控制信号u_{r_dq}；

步骤二：对定子电压信号u_{s_abc}进行Clark变换，获得静止两相坐标系下定子电压信号u_{s_αβ}，对该静止两相坐标系下定子电压信号u_{s_αβ}进行Park变换，获得同步旋转坐标系下定子电压信号u_{s_dq}；

对定子电流信号i_{s_abc}进行Clark变换，获得静止两相坐标系下的定子电流信号i_{s_αβ}，对该静止两相坐标系下定子电流信号i_{s_αβ}进行Park变换，获得同步旋转坐标系下定子电流信号i_{s_dq}；

对转子电流信号i_{r_abc}进行Clark变换，获得静止两相坐标系下转子电流信号i_{r_αβ}，对该静止两相坐标系下转子电流信号i_{r_αβ}进行Park变换，获得同步旋转坐标系下转子电流信号i_{r_dq}；

步骤三：将同步旋转坐标系下定子电流信号i_{s_dq}和同步旋转坐标系下转子电流信号i_{r_dq}作为状态变量，将同步旋转坐标系下定子电压信号u_{s_dq}和转子电压控制信号u_{r_dq}作为定转子输入变量，根据双馈风力发电机电压方程和磁链方程，建立定转子电流离散状态方程；

步骤四：利用定转子离散时间状态方程并结合降阶观测器设计理论，分别建立定子电流观测器和转子电流观测器，

利用定子电流观测器获得同步旋转坐标系下定子电流观测值

利用转子电流观测器获得同步旋转坐标系下转子电流观测值

步骤五：根据定子电流预测方程获得定子电流预测值i′_{s_dq}，根据转子电流预测方程获得转子电流预测值i′_{r_dq}，根据同步旋转坐标系下定子电流信号i_{s_dq}、同步旋转坐标系下转子电流信号i_{r_dq}、同步旋转坐标系下定子电流预测值i′_{s_dq}和同步旋转坐标系下转子电流预测值i′_{r_dq}，获得定子电流信号检测系统故障差值R_es和转子电流信号检测系统故障差值R_er；

步骤六：将定子电流信号检测系统故障差值R_es与转子电流信号检测系统故障差值R_er作差，获得差值信息R_c，根据同步旋转坐标系下的定子电流预测值i′_{s_dq}和同步旋转坐标系下的转子电流预测值i′_{r_dq}与相应的实际值的稳态误差确定差值信息R_c的判断阈值+δ和-η，并将差值信息R_c分别与判断阈值+δ和-η进行比较，

当R_c＞+δ时，则双馈风力发电机的定子电流信号检测系统发生故障，然后执行步骤七；

当R_c<-η时，则双馈风力发电机的转子电流信号检测系统发生故障，然后执行步骤八；

步骤七：将同步旋转坐标系下定子电流观测值进行反坐标变换，获得静止三相坐标系下定子A相电流观测值和定子B相电流观测值同时采集静止三相坐标系下定子A相电流实际值i_sa和定子B相电流实际值i_sb；

将与定子A相电流阈值δ_sa进行比较，当大于定子A相电流阈值δ_sa时，则定子A相电流信号检测系统发生故障；其中，定子A相电流阈值δ_sa为静止三相坐标系下定子A相电流观测值与静止三相坐标系下定子A相电流实际值i_sa稳态误差的最大值；

将与定子B相电流阈值δ_sb进行比较，当大于定子B相电流阈值δ_sb时，则定子B相电流信号检测系统发生故障；其中，定子B相电流阈值δ_sb为静止三相坐标系下定子B相电流观测值与静止三相坐标系下定子B相电流实际值i_sb稳态误差的最大值；

步骤八：将同步旋转坐标系下的转子电流观测值进行反坐标变换，获得静止三相坐标系下的转子A相电流观测值和转子B相电流观测值同时采集静止三相坐标系下转子A相电流实际值i_ra和转子B相电流实际值i_rb；

将与转子A相电流阈值δ_ra进行比较，当大于转子A相电流阈值δ_ra时，则转子A相电流信号检测系统发生故障；其中，转子A相电流阈值δ_ra为静止三相坐标系下转子A相电流观测值与静止三相坐标系下转子A相电流实际值i_ra稳态误差的最大值；

将与转子B相电流阈值δ_rb进行比较，当大于转子B相电流阈值δ_rb时，则转子B相电流信号检测系统发生故障；其中，转子B相电流阈值δ_rb为静止三相坐标系下转子B相电流观测值与静止三相坐标系下转子B相电流实际值i_ra稳态误差的最大值。

2.根据权利要求1所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，步骤三中所述双馈风力发电机电压方程为：

$\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&psi;}}_{sd}={\mathrm{D\&psi;}}_{sd}-{\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{\&psi;}}_{sq}-R_s{i}_{sd}\\ {\mathrm{\&psi;}}_{sq}={\mathrm{D\&psi;}}_{sq}+{\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{\&psi;}}_{sd}-R_s{i}_{sq}\end{array},\left\{\begin{array}{c}{u}_{rd}={\mathrm{D\&psi;}}_{rd}-{\mathrm{\&omega;}}_2{\mathrm{\&psi;}}_{rq}+R_r{i}_{rd}\\ u_{rq}={\mathrm{D\&psi;}}_{rq}+{\mathrm{\&omega;}}_2{\mathrm{\&psi;}}_{rd}+R_r{i}_{rq}\end{array}\right.,$

其中，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻；u_sd为同步旋转坐标系下d轴的定子电压分量，u_sq为同步旋转坐标系下q轴的定子电压分量；u_rd为同步旋转坐标系下d轴的转子电压分量，u_rq为同步旋转坐标系下q轴的转子电压分量；i_sd为同步旋转坐标系下d轴的定子电流分量，i_sq为同步旋转坐标系下q轴的定子电流分量；i_rd为同步旋转坐标系下d轴的转子电流分量，i_rq为同步旋转坐标系下q轴的转子电流分量；ψ_sd为同步旋转坐标系下d轴的定子磁链分量，ψ_sq为同步旋转坐标系下q轴的定子磁链分量；ψ_rd为同步旋转坐标系下d轴的转子磁链分量，ψ_rq为同步旋转坐标系下q轴的转子磁链分量；ω₁为定子同步角频率，ω₂为转子电角频率；D＝d/dt为微分算子；

所述磁链方程为：

$\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&psi;}}_{sd}=-L_s{i}_{sd}+L_m{i}_{rd}\\ {\mathrm{\&psi;}}_{sq}=-L_s{i}_{sq}+L_m{i}_{rq}\end{array},\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&psi;}}_{rd}=L_r{i}_{rd}-L_m{i}_{sd}\\ {\mathrm{\&psi;}}_{rq}=L_r{i}_{rq}-L_m{i}_{sq}\end{array}\right.,$

其中，L_s为定子电感，L_r为转子电感，L_m为定子与转子的互感。

3.根据权利要求2所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，步骤三中所述定转子电流离散状态方程为：

i(k+1)＝A_di(k)+B_du(k)

式中，i(k)＝[i_sd i_sq i_rd i_rq]^T为状态变量，u(k)＝[u_sd u_sq u_rd u_rq]^T为输入变量；k为正整数；A_d为状态方程状态变量系数矩阵，B_d为状态方程输入变量系数矩阵，且有：

$A_d=\left[\begin{array}{cccc}1-\frac{R_s{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_s}& ({\mathrm{\&omega;}}_1+{\mathrm{p\&omega;}}_m(\frac{1}{\mathrm{\&sigma;}}-1\left)\right)T_s& -\frac{R_r{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}& -\frac{{\mathrm{p\&omega;}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_s}\\ -\&lsqb;{\mathrm{\&omega;}}_1+{\mathrm{p\&omega;}}_m\left(\frac{1}{\mathrm{\&sigma;}}-1\right)\&rsqb;T_s& 1-\frac{R_s{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_s}& \frac{{\mathrm{p\&omega;}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_s}& -\frac{R_r{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}\\ -\frac{R_s{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}& \frac{{\mathrm{p\&omega;}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r}& 1-\frac{R_r{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r}& ({\mathrm{\&omega;}}_1-\frac{{\mathrm{p\&omega;}}_m}{\mathrm{\&sigma;}})T_s\\ -\frac{{\mathrm{p\&omega;}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r}& -\frac{R_s{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}& -({\mathrm{\&omega;}}_1-\frac{{\mathrm{p\&omega;}}_m}{\mathrm{\&sigma;}})T_s& 1-\frac{R_r{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r}\end{array}\right],$

$B_d=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{T_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_s}& 0& \frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}& 0\\ 0& -\frac{T_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_s}& 0& \frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}\\ -\frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}& 0& \frac{T_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r}& 0\\ 0& -\frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}& 0& \frac{T_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r}\end{array}\right],$

其中，表示漏感系数，T_s为采样时间，p为双馈风力发电机极对数，ω_m为子机械旋转角频率。

4.根据权利要求3所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，步骤四所述建立定子电流观测器的方法为：

将定转子电流离散状态方程的状态变量i(k)分为不可测量部分的定子电流状态方程i_s(k)和可测量部分的转子电流状态方程i_r(k)，并将定转子电流离散状态方程改写为分块形式：

其中，

$A_{d21}=\left[\begin{array}{cc}-\frac{R_s{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}& \frac{{\mathrm{p\&omega;}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r}\\ -\frac{{\mathrm{p\&omega;}}_m{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r}& -\frac{R_s{L}_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}\end{array}\right],A_{d22}=\left[\begin{array}{cc}1-\frac{R_r{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r}& ({\mathrm{\&omega;}}_1-\frac{{\mathrm{p\&omega;}}_m}{\mathrm{\&sigma;}})T_s\\ -({\mathrm{\&omega;}}_1-\frac{{\mathrm{p\&omega;}}_m}{\mathrm{\&sigma;}})T& 1-\frac{R_r{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r}\end{array}\right],$

$B_{ds}=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{T_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_s}& 0& \frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}& 0\\ 0& -\frac{T_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_s}& 0& \frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}\end{array}\right],B_{dr}=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}& 0& \frac{T_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r}& 0\\ 0& -\frac{L_m{T}_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r{L}_s}& 0& \frac{T_s}{{\mathrm{\&sigma;L}}_r}\end{array}\right],$

y_r(k)为输出向量，C为输出矩阵且C＝[0 0 1 1]，i_s(k+1)为不可测量部分定子电流的状态方程，i_r(k+1)为可测量部分转子电流的状态方程；

将可测量部分转子电流的状态方程写成输出方程的形式：

i_r(k+1)-A_d22i_r(k)-B_dru(k)＝A_d21i_s(k)

不可测量部分定子电流的状态方程为：

i_s(k+1)＝A_d11i_s(k)+A_d12i_r(k)+B_dsu(k)

根据上式将定转子电流离散状态方程改写为如下形式：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_s(k+1)=A_{d11}{i}_s\left(k\right)+\&lsqb;\begin{array}{cc}{A}_{d12}& B_{ds}\end{array}\&rsqb;\left[\begin{array}{c}{i}_r\left(k\right)\\ u\left(k\right)\end{array}\right]\\ y_1\left(k\right)=A_{d21}{i}_s\left(k\right)\end{array}\right.$

其中y₁(k)为第一输出向量，将该输出向量用可测量部分来表示：

y₁(k)＝i_r(k+1)-A_d22i_r(k)-B_dru(k)

根据全阶观测器设计理论，获得新状态方程子系统的全阶定子观测器模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_s(k+1)=(A_{d11}-K_s{A}_{d21}){\hat{i}}_s\left(k\right)+\&lsqb;\begin{array}{cc}{A}_{d12}& B_{ds}\end{array}\&rsqb;\left[\begin{array}{c}{i}_r\left(k\right)\\ u\left(k\right)\end{array}\right]+K_s{y}_1\left(k\right)\\ {\hat{y}}_1\left(k\right)=A_{d21}{\hat{i}}_s\left(k\right)\end{array}\right.$

其中，K_s为第一观测器反馈增益矩阵。

5.根据权利要求4所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，步骤四所述建立转子电流观测器的方法为：

将定转子电流离散状态方程的状态变量i(k)分为不可测量部分的转子电流状态方程i_r(k)和可测量部分的定子电流状态方程i_s(k)，并将定转子电流离散状态方程改写为：

可测量部分定子电流的状态方程改写为：

i_s(k+1)-A_d11i_s(k)-B_dsu(k)＝A_d12i_r(k)

不可测量部分转子电流的状态方程为

i_r(k+1)＝A_d22i_r(k)+A_d21i_s(k)+B_dru(k)

根据上式将定转子电流离散状态方程改写为如下形式：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_r(k+1)=A_{d22}{i}_s\left(k\right)+\&lsqb;\begin{array}{cc}{A}_{d21}& B_{dr}\end{array}\&rsqb;\left[\begin{array}{c}{i}_s\left(k\right)\\ u\left(k\right)\end{array}\right]\\ y_2\left(k\right)=A_{d12}{i}_r\left(k\right)\end{array}\right.$

其中y₂(k)为第二输出向量，将该输出向量用可测量部分来表示：

y₂(k)＝i_s(k+1)-A_d11i_s(k)-B_dsu(k)

根据全阶观测器设计理论，获得新状态方程子系统的全阶转子观测器模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_r(k+1)=(A_{d22}-K_r{A}_{d12}){\hat{i}}_r\left(k\right)+\&lsqb;\begin{array}{cc}{A}_{d21}& B_{dr}\end{array}\&rsqb;\left[\begin{array}{c}{i}_s\left(k\right)\\ u\left(k\right)\end{array}\right]+K_r{y}_2\left(k\right)\\ {\hat{y}}_2\left(k\right)=A_{d12}{\hat{i}}_r\left(k\right)\end{array}\right.$

其中，K_r为第二观测器反馈增益矩阵。

6.根据权利要求5所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，步骤五中所述根据定子电流预测方程获得定子电流预测值i′_{s_dq}，根据转子电流预测方程获得转子电流预测值i′_{r_dq}的方法为：

根据kT时刻的定、转子电压和电流对(k+1)T时刻的定、转子电流进行预测，预测方程为：

i′[(k+1)T]＝A_di(kT)+B_du(kT)

其中，i′＝[i′_sd i′_sq i′_rd i′_rq]^T为定、转子电流的预测值；T为系统采样周期；

i′_sd为同步旋转坐标系下d轴的定子电流预测值分量，i′_sq为同步旋转坐标系下q轴定子电流预测值分量；i′_rd为同步旋转坐标系下d轴的转子电流预测值分量，i′_rq同步旋转坐标系下q轴的转子电流预测值分量。

7.根据权利要求6所述的双馈风力发电机定转子电流信号检测系统的故障判断方法，其特征在于，步骤五所述定子电流信号检测系统故障差值R_es和转子电流信号检测系统故障差值R_er分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{es}=\sqrt{{(i_{sd}^{\&prime;}\&lsqb;(k+1)T\&rsqb;-i_{sd}\&lsqb;(k+1)T\&rsqb;)}^2+{(i_{sq}^{\&prime;}\&lsqb;(k+1)T\&rsqb;-i_{sq}\&lsqb;(k+1)T\&rsqb;)}^2}\\ R_{er}=\sqrt{{(i_{rd}^{\&prime;}\&lsqb;(k+1)T\&rsqb;-i_{rd}\&lsqb;(k+1)T\&rsqb;)}^2+{(i_{rq}^{\&prime;}\&lsqb;(k+1)T\&rsqb;-i_{rq}\&lsqb;(k+1)T\&rsqb;)}^2}\end{array}\right..$