基于双比较器的无刷双馈发电机电流传感器故障诊断及处理方法

摘要

基于双比较器的无刷双馈发电机电流传感器故障诊断及处理方法。本发明属于无刷双馈风力发电技术领域，涉及一种电流传感器故障的容错控制方法。针对无刷双馈发电机电流传感器故障危害大，出现频次高，严重影响风力发电机组的发电性能等问题，提出一种容错控制技术。在传统直接转矩控制器的基础上，采用电流估计模块对控制绕组定子电流实时估计，再利用故障检测模块对电流传感器进行故障检测与隔离，以及设计了一种新的转矩控制器，代替传统直接转矩控制系统中的转矩滞环控制器，避免了电流传感器故障对无刷双馈风机发电系统的影响，增强了系统处理电流传感器故障的能力，提高风力发电机组故障保护机制的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双比较器的无刷双馈发电机(Brushless doubly-fedgenerator，BDFG)系统故障的控制方法，尤其涉及电流传感器故障时，一种无刷双馈风力发电系统容错控制方法。

背景技术

近年来，无刷双馈电机凭借优良的性能使得在风力发电系统得以广泛应用，随着控制技术的日益成熟，对其故障的观测与处理已逐渐成为研究方向的关键。目前对于风力发电机组较为突出的一种故障为电流传感器故障，该故障危害大，出现频次高，严重影响风力发电机组的发电性能。当前通用的风机保护策略为：当电流传感器出现故障无法检测BDFG电流时，风力发电机组就会触发对应组件而停机。考虑到风力发电系统机电组件较高的故障率，以及强非线性、不确定和大扰动运行工作特点，应用可容错运行电机和非线性控制理论进行容错系统设计，来进一步提升无刷双馈风力发电系统的工作性能，是一个非常紧迫的难点问题。

发明内容

针对电流传感器故障导致风力发电机组无法正常运行等问题，提出一种基于双比较器的无刷双馈发电机电流传感器故障诊断及处理方法。

为了解决上述问题，本发明的电流传感器故障容错控制方法包括：在传统直接转矩控制器的基础上，利用电流估计模块对BDFG控制绕组定子电流估计，BDFG电流传感器的故障检测和隔离，以及设计一种新的转矩控制器，代替传统直接转矩控制系统中的转矩滞环控制器具体内容如下：

P1：无刷双馈发电机(BDFG)运行时，通过转速传感器与电压传感器测量BDFG的转速ω

P2：通过故障检测模块，判断该时刻BDFG控制绕组定子电流输出是否异常，若有异常，则磁链观测器不将异常的控制绕组定子电流作为输入，实现电流传感器与磁链观测器隔离，转而执行P3；若无异常，则电机正常运行；

P3：将P1所估计的控制绕组定子电流作为磁链观测器的输入。

基于传统直接转矩控制的基础上，设计一种新的转矩控制器，称为双比较器转矩控制器(Double Comparator Torque Controller，DCTC)，代替传统直接转矩控制系统中的转矩滞环控制器，由一个PI控制器、两个恒频率的三角波发生器和两个比较器组成，其中两个三角波的波形相差180°。

上述为电流传感器故障容错控制技术和新的转矩控制器，下面对各部分进行具体描述：

(1)利用电流估计模块对BDFG控制绕组定子电流进行估计，具体为：

BDFG静止坐标系下的功率绕组定子电压方程：

BDFG的磁链方程为：

由磁链方程可得功率绕组定子电流和控制绕组定子电流与磁链之间的关系如下式：

联立方程(3)和(4)可得功率绕组定子电流和控制绕组定子磁链用全磁链表示成下式：

对于BDFG来说，一般情况下转子磁链ψ′

将功率绕组定子电流方程(7)代入功率绕组定子电压方程(1)中，

通过方程(8)和(9)搭建的电流估计模块，将测量到的BDFG的转速ω与功率绕组定子电压u

(2)电机电流传感器的故障检测和隔离，具体为：

P21：将电流传感器检测到的控制绕组定子电流采样值i

P22：判断差值Δi

(3)新的转矩控制器，具体为：

基于传统直接转矩控制的基础上，设计一种新的转矩控制器，称为双比较器转矩控制器(Double Comparator Torque Controller，DCTC)，代替传统直接转矩控制系统中的转矩滞环控制器，由一个PI控制器、两个恒频率的三角波发生器和两个比较器组成，其中两个三角波的波形相差180°。

当电流传感器发生故障时，将实时检测到的BDFG功率绕组定子电压u

附图说明

图1：电流传感器故障容错控制系统原理图

图2：电流传感器故障容错控制系统流程图

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的一种无刷双馈发电机电流传感器故障容错控制技术进一步的详细说明。

图1所示为控制器中电流传感器故障容错控制系统原理图，电机运行时对BDFG进行故障检测，当电流传感器发生故障时，将实时检测到的BDFG功率绕组定子电压u

图2所示为控制器中电流传感器故障容错控制系统流程图，具体为当无刷双馈发电机(BDFG)运行时，通过转速传感器与电压传感器实时检测BDFM的转速ω

为了达到上述目的，本发明解决技术问题采取的技术方案是对进行电流传感器故障的在线检测和隔离，具体为：

(1)利用电流估计模块对电机控制绕组定子电流进行估计，具体为：

BDFM静止坐标系下的功率绕组定子电压方程：

BDFM的磁链方程为：

由磁链方程可得功率绕组定子电流和控制绕组定子电流与磁链之间的关系如下式：

联立方程(3)和(4)可得功率绕组定子电流和控制绕组定子磁链用全磁链表示成下式：

对于BDFM来说，一般情况下转子磁链ψ′

将功率绕组定子电流方程(7)代入功率绕组定子电压方程(1)中，

通过方程(8)和(9)搭建的电流估计模块，将测量到的BDFG的转速ω与功率绕组定子电压u

(2)电机电流传感器的故障检测和隔离，具体为：

P21：将电流传感器检测到的控制绕组定子电流采样值i

P22：判断差值Δi

(3)新的转矩控制器，具体为：

基于传统直接转矩控制的基础上，设计一种新的转矩控制器，称为双比较器转矩控制器(Double Comparator Torque Controller，DCTC)，代替传统直接转矩控制系统中的转矩滞环控制器，由一个PI控制器、两个恒频率的三角波发生器和两个比较器组成，其中两个三角波的波形相差180°。

当电流传感器发生故障时，将实时检测到的BDFG功率绕组定子电压u