基于双馈风力发电机三相短路的参数辨识

ELECTRICDRIVE2012VO142NO9电气传动2012年第42卷第9期基于双馈风力发电机三相短路的参数辨识张建华，辛付龙，莫岳平，王健扬州大学能源与动力工程学院，江苏扬州225127摘要在双馈风力发电机组中多采用矢量控制对双馈风力发电机转速进行控制，为了给矢量控制提供更精确的电机参数，提高矢量控制的效果，提出基于发电机突然三相短路的参数辨识方法。研究发现三相短路电流中存在直流分量、交流基波分量和交流谐波分量，各分量的变化规律由双馈风力发电机的参数、转差率及转子励磁电压决定；将短路电流波形各电流分量分离，与短路电流表达式对比即可辨识出电机内部参数；利用15MW双馈风力发电机的仿真数据验证了辨识方法的可行性，且保持了较高的正确性。关键词双馈风力发电机；三相短路；参数辨识；电流分量中图分类号TM614文献标识码APARAMETERSRECOGNITIONBASEDONTHREEPHASESHORTCIRCUITOFDOUBLEFEDWINDGENERATORZHANGJIANHUA，XINFULONG，M0YUEPING，WANGJIANCOLLEGEOFENERGYANDPOWERENGINEERING，YANGZHOUUNIVERSITY，YANGZHOU225127，JIANGSU，CHINAABSTRACTINTHEDOUBLEFEDWINDTURBINEVECTORCONTROLISMOSTLYADOPTEDFORDOUBLYFEDWINDGENERATORSPEEDCONTRO1INORDERTOPROVIDEAMOREACCURATEVECTORCONTROLMOTORPARAMETERSANDIMPROVINGTHEEFFECTIVENESSOFVECTORCONTROL，THEPARAMETERIDENTIFICATIONMETHODWASPUTFORWARDBASEDONTHREEPHASEGENERATORSUDDENSHORTCIRCUITSTUDYFOUNDTHATTHEREAREDCCOMPONENT，ACFUNDAMENTALANDACHARMONICSINTHECURRENT，WHICHINFLUENCEDBYTHEDFIGPARAMETERS，SLIPANDROTOREXCITATIONVOLTAGE；SEPARATINGSHORTCIRCUITCURRENTWAVEFORMOFEACHCURRENTCOMPONENT，COMPAREDWITHTHESHORTCIRCUITCURRENTEXPRESSIONCANBEIDENTIFIEDTHEINNERPARAMETERSOFTHEMOTORTHROUGH15MWDOUBLYFEDWINDGENERATORSIMULATIONDATAVALIDATESTHEFEASIBILITYOFTHEIDENTIFICATIONMETHODANDPROVESTHEFEASIBILITYANDACCURACYKEYWORDSDOUBLEFEDWINDGENERATOR；THREEPHASESHORTCIRCUIT；PARAMETERSRECOGNITION；CURRENTCOMPONENT在风力发电机组中，要求风力发电机的转速要随着风速的变化而变化，由于风速变化频繁要求风力发电机对转速的控制要有很快的响应速度J。在双馈风力发电机组中多采用矢量控制对双馈风力发电机转速进行控制。然而在实际的风电场中，随着风力发电机长时间运行以及机械损耗等因素，双馈电机的定转子电阻、电感等参数会发生变化，这就大大降低了双馈电机的控制性能，影响了风力机吸收风能的效率。现代电力系统的安全、稳定运行也要求电机生产厂家提供高精度的电机运行参数。为了降低双馈电机参数变化对双馈电机控制性能的影响，提高电机安全运行能力，本文研究了基于双馈风力发电机三相短路的参数辨识。1双馈电机数学模型双馈感应式发电机的系统结构图如图1所示。发电机采用三相绕线式异步发电机，定子绕组并网，转子绕组外接双PWM变换器提供交流励磁。图1变速恒频双馈风力发电系统结构图FIG1VSCFDOUBLYFEDNDPOWERGENERATIONSYSTEMSTRUCTURE基金项目江苏省高校自然科学基础研究项目08KJD480001作者简介张建华1960一，男，副教授，硕士生导师，EMAILJIANHUAZHANGO5O8SINACORN7电气传动2012年第42卷第9期张建华，等基于双馈风力发电机三相短路的参数辨识本文中电机定转子均采用电动机惯例，根据文献89，双馈电机在同步转速旋转的D，Q坐标系下的定转子电压平衡方程为一STDXRZIDR一R2IQR等式中“，UQR分别为定转子电压D轴和Q轴分量；II。，IIQR分别为定转子绕组中电流D轴和Q轴分量；奶，XT,Q，分别为定转子磁链D轴和Q轴分量；为同步角速度；为转子角速度。定、转子磁链方程FD一LID。LI出J乏乏奶一L出LI一LILI。式中L一LL，L为定子漏电感；L一L。L，L为转子漏电感；L为励磁电感。由式1、式2消去磁链得到以电流为变量的描述双反馈发电机电磁暂态过程的状态空间方程掣一AIBU3式中A，B为状态空间方程的系数矩阵；为电压列向量，J为电流列向量。由于稳态运行时电流电压均为常值，则由方程式3可得稳定运行时电压与电流的关系式为AJB【，一04其中RLRLL一止LR2LRL一止止L正LLLM一止LMLMRLL一JL一LR2B1L0一L00L0一L一JL0L。O0一L0L2短路瞬态特性21短路电流解析表达式已有的文献对双馈风力发电机短路电流暂态8过程的研究主要包括3种方法。“采用数字仿真方法；采用实验测试方法；基于微分方程直接求解方法。前2种方法虽然在一定程度上能反映暂态过程中电流的变化规律，但不能反映与电机参数的定量关系，也不能对暂态过程中电流分量进行分析。第3种方法不仅过程复杂，而且需作近似，导致所得到的解析表达式其物理意义不够清晰，且误差超过20。文献EL2中给出了最大短路电流的近似计算公式，但反映短路电流的变化规律与实际的行为有较大的误差。原因在于其解析分析过程比较复杂，为了得到其解析表达式在分析过程中做了过多的近似。文献13分析了短路时定子电流解析式中的各分量及其变化规律，给出了双馈风力发电机三相短路过程中的定子电流的解析解，本文通过验证发现，应用文献13中短路电流完整表达式，可以得到较高的辨识精度。定子电阻很小，在短路的暂态过程分析时可以忽略不计，由于运算过程的复杂性，本文根据文献1A直接给出三相短路时A相短路电流表达式IAH1H2SIN1一S十3COS1STE一4SINH5COS一ID。II15将式5化成标准形式为IAG2E一SIN1一S1G3SINT92矗LIDI1_IL6其中G一；G。一；91ARCTAN92ARCTAN鲁，S一1口一6R2HI。A。2。1。S。2。B。L，R十QR，NR2一L2S日一6Z。厂十干了LAB，、，一R十“QR2口S一口一6厂十，一一一一BLA2S2张建华，等基于双馈风力发电机三相短路的参数辨识电气传动2012年第42卷第9期LA一6，、，“出一“SR2N一6S一一一BLA2S2RLL。L一LSCU109口一6一J_，R由式5可见，第1项I为直流分量，第2项IC为谐波分量，第3项I为基波分量；直流分量IA只与电机的结构参数及转差率有关；而基波分量I及谐波分量I还与转子励磁电压有关。22瞬态特性分析从物理过程分析双馈风力发电机短路时定子电流中出现的直流分量I基波分量I及谐波分量I，可以得知突然三相短路后，定子绕组中直流分量I的由来，是一无电源供电的自由电流分量；定子绕组基波分量的由来，是一有电源供电的强制电流分量；定子绕组中的第3组电流分量IH的由来，是一无电源供电的自由电流分量。在上述各分量中自由分量都将随时间衰减。而强制分量则不随时间衰减。但在定子三相短路电流的解析表达式5中，定子电流的直流分量并没有衰减。其原因在于在本文的分析中忽略了定子电阻，即直流分量的衰减与定子电阻有关。既然直流分量I和基波分量I没有衰减，当谐波分量I一衰减到零验证可知可衰减到零时短路电流IIAI，观察可知I为三角函数，波形随时间在Z轴上下作等幅震荡，I为常数，此时I的波形曲线I上下作等幅震荡，根据I波形很容易获得I的大小。对波形进行分析，可以将短路波形中直流分量I基波分量I和谐波分量I波形分离出来，然后对各波形进行曲线拟合，就可以得到各电流分量对应的数学表达式，通过与短路电流表达式6对应，可以得到下式中H，N，GZ，G。对应的值，将方程组求解即可获得电机内部参数L，L，L，R，。一13RN。一S。BL“一N蕊一G一G。3建模与仿真选用一台15MW的双馈风力发电机为例进行分析。根据式1和式2所得到双馈电机的数学模型，建立了双馈感应发电机的仿真模型，如图2所示。图2双馈电机模型FIG2DOUBLEFEDMOTORMODEL15MW双馈电机具体的仿真参数设置如下LJL10171，L20156，L一29，R100071，20005。假设稳定运行时功率因数为1，S一005，根据稳定运行时的功率因数为1可以得到此时的“D一00185，一00474。假定稳定运行时功率因数为1，可以得到稳定时U一0，一1，I一0，I一1。根据文献E14解方程式4可以得到。“DLASULLR2S口。SLR，一A。“口RLASUDRLLMAT“25LQR一了汇8带入已知量求得I一03448，I一一10590。图3为仿真得到的双馈风力发电机三相短路电流I的波形。864202468图3足子A相短路电流仿真坡形FIG3SIMULATIONWAVEFORMOFSTATORAPHASESHORTCIRCUITCURRENT4参数辨识上文中提到发电机发生三相短路后谐波分量I一会发生衰减，而直流分量I和基波分量I没有衰减。将三相短路电流中各电流分量分离，各分量波形图如图4所示。9电气传动2012年第42卷第9期张建华，等基于双馈风力发电机三相短路的参数辨识T|S谐波分量。衰减波形直流分量和基波分量IL合量波形图4定子短路电流各分量波形FIG4EECHCOMPONENTOFSTATORSHORTCIRCUITCURRENTWAVEFORMS由图4B可见波形基本按周期函数规律波动，对于每个周期内，令，分别为波形上幅值，那么直流分量I一M2。由仿真波形数据得到直流分量I一004634；通过MATLAB曲线拟合工具箱对谐波分量I和基波分量IT波形进行盐线拟合可以得到各参数A01576；GZ一2711；G。5794，带人方程组式7求解即可获得计算参数值，辨识结果如表1所示。表1辨识结果TAB1RECOGNITIONRESULTS观察表内数据可以发现通过辨识获得的参数值与发电机设定的参数值之间的误差在允许的范围内，满足工程上的要求；通过本文方法进行参数辨识之所以会产生如表1数据所示误差，一方面双馈风力发电机突然三相短路模型是在定子侧电阻忽略不计的条件下建立的，且计算过程复杂采取了近似计算，另外通过将电流分量分离进行曲线拟合难免会有所偏差。5结论近年来发展的高性能电机控制技术，诸如矢量控制、直接转矩控制、无速度传感器控制等，在很大程度上提高了电机控制的性能。但是这些高性能的电机控制方法大多对电机参数较为敏感。为了获得这些较高性能的控制效果，对电机参数进行参数计算是有必要的，本文提出基于双馈风10力发电机发生三相短路时通过短路电流波形辨识电机内部参数的方法，并通过15MW双馈风力发电机的仿真数据，验证了参数辨识方法的可行性，因此，可以通过测量发电机发生三相短路时定子侧A相短路电流的波形曲线，运用本文方法可以辨识出电机内部参数，进而将辨识的参数应用到矢量控制等高性能电机控制技术，提高电机控制效果。参考文献ELI王志华，李亚西，赵栋利，等变速恒频风力发电机最大功率跟踪控制策略的研究J可再生能源，2005，2O21619E2李辉。何蓓双馈风力发电系统的最大风能控制策略EJ太阳能学报，2008，2977978033罗慧，刘军锋，万淑芸感应电机参数的离线辨识J电气传动，2006，36816214YONGLIAO，LIRAN，PUTRUSGA，ETA1EVALUATIONOFTHEEFFECTSOFROTORHARMONICSINADOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORWITHHARMONICINDUCEDSPEEDRIPPLEJIEEETRANSACTIONONENERGYCONVERSION，2003，184508515F5XIANGDAWEI，LIRANCONTROLOFADOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORINAWINDTURBINEDURINGGRIDFAULTRIDETHROUGHJIEEETRANSONENERGYCONVERSION，2006，2136526626DATTAR，RANGANATHANVTVARIABLESPEEDWINDPOWERGENERATIONUSINGDOUBLYFEDWOUNDROTORINDUCTIONMACHINEACOMPARISONWITHALTERNATIVESCHEMESJIEEETRANSONENERGYCONVERSION，2002，1734144217康尔良，王靖，孙力大型发电机突然三相短路试