CN106788068B - 定子电流轻度失真时估算电机转子转速与位置角的方法 - Google Patents

定子电流轻度失真时估算电机转子转速与位置角的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定子电流轻度失真时估算电机转子转速和位置角的方法，包括按顺序进行的下列步骤：测量三相转子电流的S1阶段、进行3s/2s变换的S2阶段、进行均值滤波的S3阶段、进行转差角速度计算的S4阶段、进行限幅的S5阶段、将同步转速与转差角速度叠加的S6阶段、对叠加结果进行限速的S7阶段和估算转子位置角的S8阶段；该定子电流轻度失真时估算电机转子转速与位置角的方法经济实用、节约成本，在使用时不需考虑初始相位，且对定子电流的依赖较小，在定子电流轻度失真的情况下仍能保证估算的有效性。

Description

定子电流轻度失真时估算电机转子转速与位置角的方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种定子电流轻度失真时估算电机转子转速与位置角的方法。
背景技术
双馈电机目前已广泛应用于风力发电***，与双馈电机相连的双馈变频器控制大都采用磁链定向矢量控制技术，需要编码器测量双馈电机的转子位置角；同时，转速的测量也用到编码器；为了节省编码器的硬件成本，双馈电机转速和转子位置角的估算显得尤为重要。
当前估算双馈电机转速和转子位置角的方法主要有开环方法和闭环方法；开环方法是通过计算电机转子电流得到，精度较低，主要用于对精度要求不高的场合；闭环方法是通过电机模型方程采用不同的观测方法，并结合传感器(互感器)等测量变量的(如电流)校正，最终观测得到转速和转子位置角，与定子磁链的闭环观测方法类似，精度较高，但其前提是校正输入量的准确测量；考虑到矢量控制的性能要求，风电机组中双馈电机的转速和转子位置角需采用闭环方法，输入测量变量包括：定子电流、定子电压、转子电流等。通常定子电流的测量采用互感器，当电网电压跌落时，会在电机上感应出很大的直流分量，因而互感器测量的定子电流会出现一定程度的失真；当电网电压浅度跌落时，定子电流轻度失真，相位基本准确，但幅值严重衰减；当电网电压深度跌落时，定子电流重度失真，相位和幅值均不准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种定子电流轻度失真时估算电机转子转速与位置角的方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种定子电流轻度失真时估算电机转子转速和位置角的方法，包括按顺序进行的下列步骤：
1)测量三相转子电流的S1阶段：在此阶段，利用传感器测量双馈电机三相转子电流，然后进入S2阶段；
2)进行3s/2s变换的S2阶段：在此阶段，双馈变频器的控制器将传感器测量得到的三相转子电流进行3s/2s坐标变换，得到两相静止坐标系下的两个坐标分量，然后进入S3阶段；
3)进行均值滤波的S3阶段：在此阶段，采用频率为50Hz的均值滤波器对步骤2)中得到的两个坐标分量进行滤波，然后进入S4阶段；
4)进行转子转差角速度计算的S4阶段：在此阶段，根据当前采样时刻转子电流两相静止坐标系下的坐标分量、上一采样时刻转子电流两相静止坐标系下的坐标分量和采样处理周期计算转子转差角速度，然后进入S5阶段；
5)进行限幅的S5阶段：在此阶段，对步骤4)中得到的转差角速度进行幅值限定，然后进入S6阶段；
6)将同步转速与转子转差角速度叠加的S6阶段：在此阶段，将同步转速与限幅后转子转差角速度的相反数进行叠加，然后进入S7阶段；
7)对叠加结果进行限速的S7阶段：在此阶段，将步骤6)中的叠加结果进行速率限定，速率限定后的结果即为估算得到的双馈电机转子转速；
8)估算转子位置角的S8阶段：在此阶段，将步骤7)中估算得到的双馈电机转子转速进行积分后与相位补偿值进行叠加估算得到转子位置角。
所述的步骤5)中的幅值限定范围为-125～125。
所述的步骤7)中的速率限定范围为-125～125。
所述步骤8)中相位补偿值的计算方法包括按顺序进行的下列步骤：
a、计算双馈电机的参考功率；
b、将互感器采集的三相定子电流进行3s/2s坐标变换得到两相静止坐标系下的两个坐标分量，并根据两相静止坐标系下的两个坐标分量得到定子电流的相位正弦值和余弦值，根据定子电流的相位正弦值和余弦值以及由锁相环锁定的定子电压相位的正弦值和余弦值计算定子电流与定子电压相位差的正弦值和余弦值；
c、根据步骤a中的参考功率与步骤b中得到的定子电流与定子电压相位差的正弦值和余弦值计算反馈电机的实际功率；
d、对步骤c中得到的实际功率进行滤波并提取实际功率中的直流分量；
e、计算步骤d中得到的直流分量误差ε；
f、对直流分量误差ε进行幅值限值，并通过PI控制器输出相位补偿值。
所述的步骤f中将直流分量误差ε的幅值限值在-1～1之间。
所述的步骤f中直流分量误差ε在进入PI控制器之前乘以参考功率两相旋转坐标分量平方的倒数。
与现有技术相比，该定子电流轻度失真时估算电机转子转速与位置角的方法经济实用，在使用时不需考虑初始相位，对定子电流的依赖较小，且在定子电流轻度失真的情况下仍能保证估算的有效性。
附图说明
图1为定子电流轻度失真时电机转子位置角估算方法示意图。
图2为定子电流轻度失真时电机转子转速估算方法的示意图。
图3为定子电流轻度失真时计算相位补偿值的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1-3所示，该定子电流轻度失真时估算电机转子转速和位置角的方法，包括按顺序进行的下列步骤：
一种定子电流轻度失真时估算电机转子转速和位置角的方法，包括按顺序进行的下列步骤：
1)测量三相转子电流的S1阶段：在此阶段，利用传感器测量双馈电机三相转子电流，然后进入S2阶段；
2)进行3s/2s变换的S2阶段：在此阶段，双馈变频器的控制器将传感器测量得到的三相转子电流进行3s/2s坐标变换，得到两相静止坐标系下的两个坐标分量，然后进入S3阶段；
3)进行均值滤波的S3阶段：在此阶段，采用频率为50Hz的均值滤波器对步骤2)中得到的两个坐标分量进行滤波，然后进入S4阶段；
4)进行转子转差角速度计算的S4阶段：在此阶段，根据当前采样时刻转子电流两相静止坐标系下的坐标分量、上一采样时刻转子电流两相静止坐标系下的坐标分量和采样处理周期计算转子转差角速度，然后进入S5阶段；
5)进行限幅的S5阶段：在此阶段，对步骤4)中得到的转差角速度进行幅值限定，然后进入S6阶段；
6)将同步转速与转子转差角速度叠加的S6阶段：在此阶段，将同步转速与限幅后的转子转差角速度的相反数进行叠加，然后进入S7阶段；
7)对叠加结果进行限速的S7阶段：在此阶段，将步骤6)中的叠加结果进行速率限定，速率限定后的结果即为估算得到的双馈电机转子转速；
8)估算转子位置角的S8阶段：在此阶段，将步骤7)中估算得到的双馈电机转子转速进行积分后与相位补偿值进行叠加估算得到转子位置角。
所述的步骤5)中的幅值限定范围为-125～125。
所述的步骤7)中的速率限定范围为-125～125。
所述步骤8)中相位补偿值的计算方法包括按顺序进行的下列步骤：
a、计算双馈电机的参考功率；
b、将互感器采集的三相定子电流进行3s/2s坐标变换得到两相静止坐标系下的两个坐标分量，并根据两相静止坐标系下的两个坐标分量得到定子电流的相位正弦值和余弦值，根据定子电流的相位正弦值和余弦值以及由锁相环锁定的定子电压相位的正弦值和余弦值计算定子电流与定子电压相位差的正弦值和余弦值；
c、根据步骤a中的参考功率与步骤b中得到的定子电流与定子电压相位差的正弦值和余弦值计算双馈电机的实际功率；
d、对步骤c中得到的实际功率进行滤波并提取实际功率中的直流分量；
e、计算步骤d中得到的直流分量误差ε；
f、对直流分量误差ε进行幅值限值，并通过PI控制器输出相位补偿值。
所述的步骤f中将直流分量误差ε的幅值限值在-1～1之间。
所述的步骤f中直流分量误差ε在进入PI控制器之前乘以参考功率两相旋转坐标分量平方的倒数。
本发明提供的定子电流轻度失真时估算电机转子转速和位置角的方法的实施过程如下：
由传感器测量双馈电机的三相转子电流，双馈变频器的控制器将传感器测量得到的双馈电机三相转子电流从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，并得到两相静止坐标系下的两个坐标分量，并采用50Hz的均值滤波器对两相静止坐标系下的两个坐标分量进行滤波，根据公式(1)计算转子转差角速度ωs，
其中，Irαn和Irβn为当前采样时刻转子电流两相静止坐标系下的坐标分量，Irαn-1和Irβn-1为上一采样时刻转子电流两相静止坐标系下的坐标分量，Ts为采样处理周期；
然后对转子转差角速度进行幅值限定，将转子转差角速度的幅值限定在-125～125之间，将同步转速与限幅限定后转子转差角速度的相反数进行叠加，对叠加结果进行速率限定，限定后的结果即为估算得到的双馈电机转子转速；
将估算得到的双馈电机转子转速积分后与相位补偿值进行叠加估算得到转子位置角，其中相位补偿值的计算方法如下：
根据公式(2)计算双馈电机的参考功率P_ref和Q_ref，
其中，Lm为双馈电机互感参数，Ls为双馈电机定子自感参数，K为定转子变比，Us为定子电压幅值，IrD_ref和IrQ_ref分别为给定的转子两相旋转坐标系中的坐标分量；
然后，将互感器采集的三相定子电流进行3s/2s坐标变换得到两相静止坐标系下的两个坐标分量Isα和Isβ，根据公式(3)求得定子电流的相位正弦值SIN_Is和余弦值COS_Is；
根据公式(4)计算定子电压与定子电流相位差Δθ的正弦值SIN_Δθ和余弦值COS_Δθ，其中，Δθ是由锁相环锁定的定子电压与定子电流的相位差，
其中SIN_Us为定子电压相位的正弦值，SIN_Us为定子电压相位的余弦值；
根据公式(5)计算双馈电机的两相旋转坐标系下的实际功率P和Q；
根据公式(5)计算得到的实际功率中除含有直流分量外，还含有50Hz、2*50Hz的谐波成分，因而选用频率为50Hz的均值滤波器对由公式(5)计算得到的实际功率进行滤波处理，筛选出其中的直流分量；
根据公式(6)计算实际功率P和Q的直流分量误差ε，
并通过PI控制器输出补偿相位，直流分量误差ε在进入PI控制器之前乘以参考功率两相旋转坐标分量平方的倒数，将实际功率P和Q的直流分量误差ε的幅值限定在-1～1之间，最终将估算出的双馈电机转子转速进行积分后与相位补偿值进行叠加估算得到转子位置角。

Claims (7)

1.一种定子电流轻度失真时估算电机转子转速和位置角的方法，其中，双馈电机的定子与电网直接连接，转子通过双馈变频器与电网相连，双馈电机采用锁相环锁定双馈电机定子电压的相位，其特征在于，所述的定子电流轻度失真时估算电机转子转速和位置角的方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)测量三相转子电流的S1阶段：在此阶段，利用传感器测量双馈电机三相转子电流，然后进入S2阶段；
2)进行3s/2s变换的S2阶段：在此阶段，双馈变频器的控制器将传感器测量得到的三相转子电流进行3s/2s坐标变换，得到两相静止坐标系下的两个坐标分量，然后进入S3阶段；
3)进行均值滤波的S3阶段：在此阶段，采用频率为50Hz的均值滤波器对步骤2)中得到的两个坐标分量进行滤波，然后进入S4阶段；
4)进行转差角速度计算的S4阶段：在此阶段，根据当前采样时刻转子电流两相静止坐标分量、上一采样时刻转子电流两相静止坐标分量和采样处理周期计算转差角速度，然后进入S5阶段；转差角速度ωs的计算方法为：
其中，Irαn和Irβn为当前采样时刻转子电流两相静止坐标系下的坐标分量，Irαn-1和Irβn-1为上一采样时刻转子电流两相静止坐标系下的坐标分量，Ts为采样处理周期；
5)进行限幅的S5阶段：在此阶段，对步骤4)中得到的转差角速度进行幅值限定，然后进入S6阶段；
6)将同步转速与转差角速度叠加的S6阶段：在此阶段，将同步转速与限幅后转差角速度的相反数进行叠加，然后进入S7阶段；
7)对叠加结果进行限速的S7阶段：在此阶段，将步骤6)中的叠加结果进行速率限定，速率限定后的结果即为估算得到的双馈电机转子转速；
8)估算转子位置角的S8阶段：在此阶段，将步骤7)中估算得到的双馈电机转子转速进行积分后与相位补偿值进行叠加估算得到转子位置角。
2.根据权利要求1所述的定子电流轻度失真时估算电机转子转速和位置角的方法，其特征在于，所述的步骤5)中的幅值限定范围为-125～125。
3.根据权利要求1所述的定子电流轻度失真时估算电机转子转速和位置角的方法，其特征在于，所述的步骤7)中的速率限定范围为-125～125。
4.根据权利要求1所述的定子电流轻度失真时估算电机转速和转子位置角的方法，其特征在于，所述步骤8)中相位补偿值的计算方法包括按顺序进行的下列步骤：
a、计算双馈电机的参考功率；
b、将互感器采集的三相定子电流进行3s/2s坐标变换得到两相静止坐标系下的两个坐标分量，并根据两相静止坐标系下的两个坐标分量得到定子电流的相位正弦值和余弦值，根据定子电流的相位正弦值和余弦值以及由锁相环锁定的定子电压相位的正弦值和余弦值计算定子电流与定子电压相位差的正弦值和余弦值；
c、根据步骤a中的参考功率与步骤b中得到的定子电流与定子电压相位差的正弦值和余弦值计算反馈电机的实际功率；
d、对步骤c中得到的实际功率进行滤波并提取实际功率中的直流分量；
e、计算步骤d中得到的直流分量的误差ε；
f、对误差ε进行幅值限值，并通过PI控制器输出相位补偿值。
5.根据权利要求4所述的定子电流轻度失真时估算电机转子转速和位置角的方法，其特征在于，所述的步骤f中将误差ε的幅值限值在-1～1之间。
6.根据权利要求4所述的定子电流轻度失真时估算电机转子转速和位置角的方法，其特征在于，所述的步骤f中误差ε在进入PI控制器之前乘以参考功率两相旋转坐标分量平方的倒数。
7.根据权利要求4所述的定子电流轻度失真时估算电机转子转速和位置角的方法，其特征在于，所述的步骤a中根据给定的两相旋转坐标系下的坐标分量计算参考功率的两相旋转坐标系下的坐标分量。
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