CN109861612B - 风力发电机组的转子位置角检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组的转子位置角检测方法及装置。其中，风力发电机组的转子位置角检测方法包括：获取风力发电机组的变流器的电机侧电流和电机侧电压；根据电机侧电流和电机侧电压，计算电机侧电流对应的电流矢量和电机侧电压对应的电压矢量；利用电流矢量和电压矢量，计算风力发电机组的转子位置角。根据本发明实施例，能够提高风力发电机组的转子位置角的检测精度，降低对风力发电机组的控制误差。

Description

风力发电机组的转子位置角检测方法及装置

技术领域

本发明属于风力发电机技术领域，尤其涉及一种风力发电机组的转子位置角检测方法及装置。

背景技术

在对例如同步发电机进行控制时，需要获取同步发电机的转子位置角，以便对同步发电机进行解耦控制。

通常，利用无位置传感器测量转子位置角的检测方法的主要原理为：测量同步发电机的发电机电流，利用发电机电流和发电机数学模型来估算同步发电机的转子位置角。

但是，利用上述检测方法估算同步发电机的转子位置角时，估算结果的准确性依赖于发电机参数的准确。当发电机参数出现漂移时，估算结果与转子位置角的实际值之间便会出现偏差，从而带来对同步发电机的控制误差。

发明内容

鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明实施例提供了一种风力发电机组的转子位置角检测方法及装置。

一方面，本发明实施例提供一种风力发电机组的转子位置角检测方法，包括：

获取风力发电机组的变流器的电机侧电流和电机侧电压；

根据所述电机侧电流和所述电机侧电压，计算所述电机侧电流对应的电流矢量和所述电机侧电压对应的电压矢量；

利用所述电流矢量和所述电压矢量，计算所述风力发电机组的转子位置角。

进一步地，根据所述电机侧电流和所述电机侧电压，计算所述电机侧电流对应的电流矢量和所述电机侧电压对应的电压矢量包括：

确定所述电机侧电压对应的电压相角；

根据所述电压相角、所述电机侧电流和所述电机侧电压，计算所述电机侧电流对应的电流矢量和所述电机侧电压对应的电压矢量。

进一步地，确定所述电机侧电压对应的电压相角前，还包括：

对所述电机侧电压滤波，选取预定频率的电机侧电压；或者/并且，

确定所述电机侧电压对应的电压相角后，还包括：

获取对滤波后的电机侧电压的相移量；

根据所述相移量，对所述电压相角进行相移补偿。

进一步地，利用所述电流矢量和所述电压矢量，计算所述风力发电机组的转子位置角包括：

根据所述电流矢量和所述电压矢量，计算所述风力发电机组的内电势相角；

获取所述风力发电机组的磁链矢量对应的磁链矢量角度与所述内电势相角的角度差值；

根据所述内电势相角和所述角度差值，确定所述转子位置角。

进一步地，根据所述电流矢量和所述电压矢量，计算所述风力发电机组的内电势相角包括：

确定所述电机侧电压对应的电压角频率；

根据所述电流矢量、所述电压矢量和所述电压角频率，利用发电机电势方程计算所述风力发电机组的内电势矢量；

根据所述内电势矢量，确定所述内电势相角。

进一步地，所述风力发电机组的变流器与所述发电机之间连接有电机电流断路器，所述电机侧电压为所述电机电流断路器与所述发电机之间的电压或所述电机电流断路器与所述变流器之间的电压。

另一方面，本发明实施例提供了一种风力发电机组的转子位置角检测装置，包括：

电流获取模块，用于获取风力发电机组的转子位置角检测的变流器的电机侧电流；

电压获取模块，用于获取风力发电机组的转子位置角检测的变流器的电机侧电压；

矢量计算模块，所述矢量计算模块分别与所述电流采集模块和所述电压采集模块连接，用于根据所述电机侧电流和所述电机侧电压，计算所述电机侧电流对应的电流矢量和所述电机侧电压对应的电压矢量；

位置计算模块，所述位置计算模块与所述矢量计算模块连接，用于利用所述电流矢量和所述电压矢量，计算所述风力发电机组的转子位置角检测的转子位置角。

进一步地，还包括：

锁相环，所述锁相环分别与所述电压采集模块和所述矢量计算模块连接，用于确定所述电机侧电压对应的电压相角，并将所述电压相角发送至所述矢量计算模块，使所述矢量计算模块根据所述电压相角、所述电机侧电流和所述电机侧电压，计算所述电机侧电流对应的电流矢量和所述电机侧电压对应的电压矢量。

进一步地，所述锁相环与所述电压采集模块之间，还包括：

低通滤波器，所述低通滤波器与所述电压采集模块连接，用于过滤所述电机侧电压的高频干扰信号；

带通滤波器，所述带通滤波器与所述低通滤波器和所述锁相环连接，用于选取预定频率的电机侧电压。

进一步地，所述锁相环与所述矢量计算模块之间，还包括：

相移补偿器，用于获取对滤波后的电机侧电压的相移量，并根据所述相移量对所述电压相角进行相移补偿。

进一步地，所述锁相环还与所述位置计算模块连接，其中，所述锁相环还用于确定所述电机侧电压对应的电压角频率并将所述电压角频率发送至所述位置计算模块，所述位置计算模块根据所述电流矢量、所述电压矢量和所述电压角频率，利用发电机电势方程计算所述风力发电机组的内电势矢量，然后根据所述内电势矢量，确定所述内电势相角。

本发明实施例的风力发电机组的转子位置角检测方法及装置，能够基于风力发电机组的变流器的电机侧电流和电机侧电压，计算出变流器的电机侧的电流矢量和电压矢量，然后利用电流矢量和电压矢量计算出风力发电机组的转子位置角，以通过检测变流器的电机侧电流和电机侧电压直接估算出风力发电机组的转子位置角，无需通过利用风力发电机组的数学模型进行估算，不依赖于风力发电机组的参数，因此，即使风力发电机组的参数出现漂移，也不会使计算得到的转子位置角出现偏差，从而提高风力发电机组的转子位置角的检测精度，降低对风力发电机组的控制误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是发明一个实施例提供的风力发电机组的转子位置角检测方法的流程示意图；

图2是图1中S120的一个实施例的具体方法的流程示意图；

图3是图1中S120的另一个实施例的具体方法的流程示意图；

图4是图1中S130的一个实施例的具体方法的流程示意图；

图5是图4中S131的一个实施例的具体方法的流程示意图；

图6是本发明一个实施例的发电机矢量图；

图7是本发明一个实施例提供的风力发电机组的转子位置角检测装置的结构示意图；

图8是本发明实施例的转子位置角检测装置与风力发电机组的一个示例的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种转子位置角测量方法及装置、电机。下面首先对本发明实施例所提供的转子位置角测量方法进行介绍。

图1示出了本发明一个实施例提供的风力发电机组的转子位置角检测方法的流程示意图。如图1所示，该转子位置角检测方法，包括：

S110、获取风力发电机组的变流器的电机侧电流和电机侧电压；

S120、根据电机侧电流和电机侧电压，计算电机侧电流对应的电流矢量和电机侧电压对应的电压矢量；

S130、利用电流矢量和电压矢量，计算风力发电机组的转子位置角。

本发明实施例能够基于风力发电机组的变流器的电机侧电流和电机侧电压，计算出变流器的电机侧的电流矢量和电压矢量，然后利用电流矢量和电压矢量计算出风力发电机组的转子位置角，以通过检测变流器的电机侧电流和电机侧电压直接估算出风力发电机组的转子位置角，从而提高风力发电机组的转子位置角的检测精度，降低对风力发电机组的控制误差。

在本发明实施例S110中，风力发电机组的变流器与发电机之间可以连接有电机电流断路器，电机侧电压可以为电机电流断路器与发电机之间的电压，或者电机侧电压也可以为电机电流断路器与变流器之间的电压。当电机侧电压为电机电流断路器与变流器之间的电压时，能够通过电机电流断路器的断开和闭合，控制是否检测转子位置角。当电机侧电压为电机电流断路器与发电机之间的电压时，只要是发电机启动，无论电机电流断路器是否闭合，均可以检测转子位置角，以减小风力发电机组并网冲击转矩和冲击电流。

图2示出了图1中S120的一个实施例的具体方法的流程示意图。如图2所示，S120、根据电机侧电流和电机侧电压，计算电机侧电流对应的电流矢量和电机侧电压对应的电压矢量的具体方法可以包括：

S210、确定电机侧电压对应的电压相角；

S220、根据电压相角、电机侧电流和电机侧电压，计算电机侧电流对应的电流矢量和电机侧电压对应的电压矢量。

在本发明实施例S210中，可以通过对电机侧电压信号进行锁相，来获得电机侧电压对应的电压相角。

当得到了电压相角后，即可以利用电压相角、电机侧电流和电机侧电压进行转换计算，从而计算得到电机侧电流对应的电流矢量和电机侧电压对应的电压矢量。

首先，可以分别确定电机侧电流和电机侧电压在三相静止坐标系下的三相电压坐标和三相电流坐标。

然后，通过三相静止坐标与两相静止坐标的转换公式，将三相电压坐标和三相电流坐标分别转换为在两相静止坐标系下的两相电压坐标和两相电流坐标：

其中，U_a、U_b、U_c分别为三相静止坐标系中a轴、b轴、c轴的电压坐标值，U_α、U_β分别为两相静止坐标系中α轴、β轴的电压坐标值。I_a、I_b、I_c分别为三相静止坐标系中a轴、b轴、c轴的电流坐标值，I_α、I_β分别为两相静止坐标系中α轴、β轴的电流坐标值。

接着，通过两相静止坐标与同步旋转坐标的转换公式，利用电压相角，将两相电压坐标和两相电流坐标分别转换为在同步旋转坐标系下的同步电压坐标和同步电流坐标：

其中，U_α、U_β分别为两相静止坐标系中α轴、β轴的电压坐标值，U_d、U_q分别为同步旋转坐标系中d轴、q轴的电压坐标值。I_α、I_β分别为两相静止坐标系中α轴、β轴的电流坐标值，I_d、I_q分别为同步旋转坐标系中d轴、q轴的电流坐标值。

最后，通过同步电压坐标和同步电流坐标计算得到电压矢量的电压矢量长度和电压矢量角度以及电流矢量的电流矢量长度和电流矢量角度。

其中，|U_S|为电压矢量长度，θ_u为电压矢量角度，|I_S|为电流矢量长度，θ_I为电流矢量角度。

图3示出了图1中S120的另一个实施例的具体方法的流程示意图。如图3所示，在S320、确定电机侧电压对应的电压相角前，还可以包括：

S310、对电机侧电压滤波，选取预定频率的电机侧电压。

在本发明实施例S310中，由于变流器调制产生高频干扰信号，因此，需要对电机侧电压滤波，消除干扰信号，并且选择预定频率的电机侧电压信号，以保障后续计算的进行。

由于滤波会使得电机侧电压信号的电压相角产生相移，因此，为了将电压相角还原为实际采集的电机侧电压对应的相角，在S320、确定电机侧电压对应的电压相角后，还可以包括：

S330、获取对滤波后的电机侧电压的相移量；

S340、根据相移量，对电压相角进行相移补偿。

在本发明实施例S330中，可以获取滤波对电机侧电压产生的相移量作为滤波后的电机侧电压的相移量。然后，在本发明实施例S340中，对通过琐相得到电压相角进行相移补偿。若滤波导致相角超前，则利用电压相角减去相移量获得相移补偿后的电压相角；若滤波导致相角之后，则利用电压相角加上相移量获得相移补偿后的电压相角。

图4示出了图1中S130的一个实施例的具体方法的流程示意图。如图4所示，S130、利用电流矢量和电压矢量，计算风力发电机组的转子位置角包括：

S131、根据电流矢量和电压矢量，计算风力发电机组的内电势相角；

S132、获取风力发电机组的磁链矢量对应的磁链矢量角度与内电势相角的角度差值；

S133、根据内电势相角和角度差值，确定转子位置角。

图5示出了图4中S131的一个实施例的具体方法的流程示意图。如图4所示，S131、根据电流矢量和电压矢量，计算风力发电机组的内电势相角包括：

S410、确定电机侧电压对应的电压角频率；

S420、根据电流矢量、电压矢量和电压角频率，利用发电机电势方程计算风力发电机组的内电势矢量；

S430、根据内电势矢量，确定内电势相角。

在本发明实施例S410中，可以通过前述的锁相处理还可以获得电压角频率。然后，在本发明实施例S420中，根据电流矢量、电压矢量和电压角频率，利用发电机电势方程计算风力发电机组的内电势矢量。

以面装式永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)为例，面装式PMSM的发电机电势方程为：

其中，

为电压矢量，

为电流矢量，R_s为发电机绕组直流电阻，ω_s为电压角频率，L_s为发电机等效电感，

为内电势矢量，j为方程式算子。

接着，在本发明实施例S430中，根据计算出的内电势矢量，即可以确定内电势相角。

由于在同步旋转坐标系中，磁链矢量的磁链矢量角度与转子位置角相同，因此，在本发明实施例S132中，可以确定磁链矢量角度与内电势相角之间的差值，然后在本发明实施例S133中，可以根据内电势相角和角度差值，计算得到转子位置角。

图6示出了本发明一个实施例的发电机矢量图。如图6所示，横轴为同步旋转坐标系的d轴，纵轴为同步旋转坐标系的q轴，

为磁链矢量，可以看出，磁链矢量角度超前于内电势相角的角度为

因此，可以将内电势相角减去

即可得到转子位置角。

图7示出了本发明一个实施例提供的风力发电机组的转子位置角检测装置的结构示意图。如图7所示，该转子位置角检测装置，包括：

电流获取模块510，用于获取风力发电机组的变流器的电机侧电流；

电压获取模块520，用于获取风力发电机组的变流器的电机侧电压；

矢量计算模块530，矢量计算模块530分别与电流获取模块510和电压获取模块520连接，用于根据电机侧电流和电机侧电压，计算电机侧电流对应的电流矢量和电机侧电压对应的电压矢量；

位置计算模块540，位置计算模块540与矢量计算模块530连接，用于利用电流矢量和电压矢量，计算风力发电机组的转子位置角。

本发明实施例能够基于风力发电机组的变流器的电机侧电流和电机侧电压，计算出变流器的电机侧的电流矢量和电压矢量，然后利用电流矢量和电压矢量计算出风力发电机组的转子位置角，以通过检测变流器的电机侧电流和电机侧电压直接估算出风力发电机组的转子位置角，从而提高风力发电机组的转子位置角的检测精度，降低对风力发电机组的控制误差。

在本发明实施例中，该转子位置角检测装置还包括：

锁相环550，锁相环550分别与电压获取模块520和矢量计算模块530连接，用于确定电机侧电压对应的电压相角，并将电压相角发送至矢量计算模块530，使矢量计算模块530根据电压相角、电机侧电流和电机侧电压，计算电机侧电流对应的电流矢量和电机侧电压对应的电压矢量。

在本发明实施例中，锁相环550与电压采集模块520之间，还包括：

低通滤波器560，低通滤波器560与电压获取模块520连接，用于过滤电机侧电压的高频干扰信号；

带通滤波器570，带通滤波器570与低通滤波器560和锁相环550连接，用于选取预定频率的电机侧电压。

在本发明实施例中，锁相环550与矢量计算模块530之间，还包括：

相移补偿器580，用于获取对滤波后的电机侧电压的相移量，并根据相移量对电压相角进行相移补偿。

在本发明实施例中，锁相环550还与位置计算模块540连接，其中，锁相环550还用于确定电机侧电压对应的电压角频率并将电压角频率发送至位置计算模块540，位置计算模块540根据电流矢量、电压矢量和电压角频率，利用发电机电势方程计算风力发电机组的内电势矢量，然后根据内电势矢量，确定内电势相角。

在本发明一个实施例中，风力发电机组的转子位置角检测装置可以设置于变流器的控制器内。在本发明另一个实施例中，风力发电机组的转子位置角检测装置可以设置为独立的控制模块。

图8示出了本发明实施例的转子位置角检测装置与风力发电机组的一个示例的结构示意图。

如图8所示，发电机601和电网602之间，依次连接有电机电流断路器603、DU/DT滤波器604、变流器605、LC滤波器606和变流器网侧主断路器607。

电流获取模块608和电压获取模块609可以分别通过对应的传感器连接至DU/DT滤波器604与变流器605之间的线路上，电流获取模块608和电压获取模块609分别连接至矢量计算模块610，电压获取模块609还依次通过低通滤波器611、带通滤波器612、锁相环613和相移补偿器614连接至矢量计算模块610，然后，矢量计算模块610和相移补偿器614分别连接至位置计算模块615。

在本发明另一个实施例中，电压获取模块609还可以通过传感器连接至电机电流断路器603与发电机601之间的线路，此时，只要是发电机601启动，无论电机电流断路器603是否闭合，均可以检测发电机601的转子位置角，以减小发电机601并网冲击转矩和冲击电流。

在其他实施例中，电压获取模块609还可以通过传感器连接至电机电流断路器603与DU/DT滤波器604之间的线路。

在图8所示的实施例中，单独设置了电流获取模块608，在其他实施例中，还可以不单独设置电流获取模块608，直接利用变流器605的控制器中的集成电流传感器作为电流获取模块608。

需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或***。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的***、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种风力发电机组的转子位置角检测方法，其特征在于，包括：

获取风力发电机组的变流器的电机侧电流和电机侧电压；

根据所述电机侧电流和所述电机侧电压，计算所述电机侧电流对应的电流矢量和所述电机侧电压对应的电压矢量；

利用所述电流矢量和所述电压矢量，计算所述风力发电机组的转子位置角；

其中，所述利用所述电流矢量和所述电压矢量，计算所述风力发电机组的转子位置角包括：

根据所述电流矢量和所述电压矢量，计算所述风力发电机组的内电势相角；

获取所述风力发电机组的磁链矢量对应的磁链矢量角度与所述内电势相角的角度差值；

根据所述内电势相角和所述角度差值，确定所述转子位置角；

所述根据所述电机侧电流和所述电机侧电压，计算所述电机侧电流对应的电流矢量和所述电机侧电压对应的电压矢量包括：

对所述电机侧电压进行锁相，以获得所述电机侧电压对应的电压相角；

根据所述电压相角、所述电机侧电流和所述电机侧电压，计算所述电机侧电流对应的电流矢量和所述电机侧电压对应的电压矢量；

所述根据所述电流矢量和所述电压矢量，计算所述风力发电机组的内电势相角包括：

确定所述电机侧电压对应的电压角频率；

根据所述电流矢量、所述电压矢量和所述电压角频率，利用发电机电势方程计算所述风力发电机组的内电势矢量；

根据所述内电势矢量，确定所述内电势相角。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组的转子位置角检测方法，其特征在于，确定所述电机侧电压对应的电压相角前，还包括：

对所述电机侧电压滤波，选取预定频率的电机侧电压；或者/并且，

确定所述电机侧电压对应的电压相角后，还包括：

获取对滤波后的电机侧电压的相移量；

根据所述相移量，对所述电压相角进行相移补偿。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组的转子位置角检测方法，其特征在于，所述风力发电机组的变流器与发电机之间连接有电机电流断路器，所述电机侧电压为所述电机电流断路器与所述发电机之间的电压或所述电机电流断路器与所述变流器之间的电压。

4.一种风力发电机组的转子位置角检测装置，其特征在于，包括：

电流采集模块，用于获取风力发电机组的变流器的电机侧电流；

电压采集模块，用于获取风力发电机组的变流器的电机侧电压；

矢量计算模块，所述矢量计算模块分别与所述电流采集模块和所述电压采集模块连接，用于根据所述电机侧电流和所述电机侧电压，计算所述电机侧电流对应的电流矢量和所述电机侧电压对应的电压矢量；

位置计算模块，所述位置计算模块与所述矢量计算模块连接，用于利用所述电流矢量和所述电压矢量，计算所述风力发电机组的转子位置角；

其中，所述位置计算模块具体用于：根据所述电流矢量和所述电压矢量，计算所述风力发电机组的内电势相角；获取所述风力发电机组的磁链矢量对应的磁链矢量角度与所述内电势相角的角度差值；根据所述内电势相角和所述角度差值，确定所述转子位置角；

所述风力发电机组的转子位置角检测装置还包括：锁相环，分别与所述电压采集模块和所述矢量计算模块连接，用于确定所述电机侧电压对应的电压相角，并将所述电压相角发送至所述矢量计算模块，使所述矢量计算模块根据所述电压相角、所述电机侧电流和所述电机侧电压，计算所述电机侧电流对应的电流矢量和所述电机侧电压对应的电压矢量；

所述锁相环还与所述位置计算模块连接，其中，所述锁相环用于确定所述电机侧电压对应的电压角频率并将所述电压角频率发送至所述位置计算模块，所述位置计算模块根据所述电流矢量、所述电压矢量和所述电压角频率，利用发电机电势方程计算所述风力发电机组的内电势矢量，然后根据所述内电势矢量，确定所述内电势相角。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组的转子位置角检测装置，其特征在于，所述锁相环与所述电压采集模块之间，还包括：

低通滤波器，所述低通滤波器与所述电压采集模块连接，用于过滤所述电机侧电压的高频干扰信号；

带通滤波器，所述带通滤波器与所述低通滤波器和所述锁相环连接，用于选取预定频率的电机侧电压。

6.根据权利要求4所述的风力发电机组的转子位置角检测装置，其特征在于，所述锁相环与所述矢量计算模块之间，还包括：

相移补偿器，用于获取对滤波后的电机侧电压的相移量，并根据所述相移量对所述电压相角进行相移补偿。

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