基于滑模观测器的双馈感应发电机故障检测方法
专利汇可以提供基于滑模观测器的双馈感应发电机故障检测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且为了对双馈感应发 电机 进行故障检测，在此提出了一种基于滑模观测器的 双馈感应发电机 故障检测方法。由于滑模观测器的结构简单、不易受参数影响、抗干扰能 力 强等优点，本 发明 将滑模观测器运用于双馈感应电机的故障检测。首先,本发明根据双馈感应发电机的数学模型搭建了滑模观测器，对其 转子 电流 和转速进行观测，通过比较实际转子电流值与观测值的残差从而实现故障的自检测。然后本发明给定 电网 端 电压 跌落故障，双馈感应发电机 定子 匝 间故障和转子电流 传感器 故障三种故障，用以证明此滑模观测器能很好的对不同 位置 发生的故障进行故障检测，且可以看出滑模观测器具有响应速度快， 稳定性 好等特点。，下面是基于滑模观测器的双馈感应发电机故障检测方法专利的具体信息内容。
1.基于滑模观测器的双馈感应发电机故障检测方法，其特征在于，
它包括如下步骤：
步骤一：双馈感应电机定子侧与电网端连接，通过电压传感器可以获得定子电压信号，通过电流传感器可以获得定子电流信号 ，双馈感应电机转子侧与背靠背功率变换器连接，通过电压传感器可以获得转子电压信号 ，通过电流传感器可以得到转子电流信号 ；
步骤二：将定子、转子电压信号通过clark和park变换得到同步旋转 坐标系下定转子电压信号 ， ，同时将定子、转子电流信号通过clark和park变换得到同步旋转 坐标系下定转子电流信号 ， ；
步骤三：根据双馈感应电机的电压方程和磁链方程，建立状态空间方程，其中同步旋转坐标系下的定子电流信号 和转子电流信号 为状态方程的状态变量，同步旋转坐标系下的定子电压信号 和转子电压信息 为状态方程的输入变量；
步骤四：仅考虑定子电流 状态空间模型时，采用定子电压定向控制方法，可求出定子电流项与转子电流项之间的相互关系，将状态空间模型中的转子电流项取代定子电流项，可得到无定子电流项的状态方程，其中转子电流信号 为状态变量，定子电压信号 和转子电压信息 为状态方程的输入变量；
步骤五：根据状态方程构造转子电流观测器，将所提出的滑模控制率应用到转子电流观测器，其中转子转速和转子电流为观测值，通过所构造的滑模观测器分别获得同步旋转坐标系下的转子电流观测值 和转子转速观测值 ；
步骤六：在无速度传感器的情况下，应用转子转速所得观测值带入状态方程求得转子电流观测值，根据转子电流信号，转子电流观测值，获得同步旋转 轴转子电流故障残差值；
步骤七：当电网侧发生电压跌落故障情况下，在某个时间段设定三相电压接地，通过转子电流测量值与观测值的残差值来实现系统的电压跌落故障检测；
步骤八：由于定子匝间故障是导致感应电机失效的主要原因之一，在某个时间段设定定子匝间发生短路故障，通过转子电流测量值与观测值的残差值来实现系统的定子绕组故障检测；
步骤九：在考虑转子电流传感器故障的情况下，在转子电流传感器输出端加入扰动，通过转子电流测量值与观测值的残差值来实现系统的传感器故障检测。
2.根据权利要求1所述的基于滑模观测器的双馈感应发电机故障检测方法，其特征在于，
步骤三中，根据双馈电机电压方程和磁链方程，建立状态空间方程的方法为：
所述电压方程为：
所述的磁链方程为：
式中， 分别为 轴的定子和转子的电压矢量， 分别为 轴的
定子和转子的电流矢量， 分别为 轴的定子和转子的磁通矢量， 分
别为转子跟定子电阻， 分别为定子跟转子的自感， 为定子与转子之间的互感，分别为定子与转子的漏感， 分别为转子，定子转速和滑差转速，当 电流分量作为状态变量， 电压分量作为输入量，DFIG的状态空间方程为：
其中 ，表示漏感系数。
3.根据权利要求1所述的基于滑模观测器的双馈感应发电机故障检测方法，其特征在于，
步骤四中，仅考虑转子电流状态空间模型时，采用定子电压定向控制方法，求出定子电流项与转子电流项之间的相互关系，得到无定子电流项的状态方程
的方法为：
所述仅考虑定子电流 状态空间模型时，其状态空间模型为：
式中， ， ， ，
， ， ，
， 分别为 轴的定子和转子的电压矢
量， 分别为 轴的定子和转子的电流矢量， 分别为转子跟定子电阻，分别为定子跟转子的自感， 为定子与转子之间的互感， 分别为转子，定子转速和滑差转速，
采用定子电压定向控制方法，求出定子电流项与转子电流项之间关系的方法为：
实际应用中，尤其是对大功率双馈感应发电机，随着功率的增加，其电感更大而电阻更小，因此其定子电阻上的压降和总的压降相比要小很多，直接后果就是定子电压与磁链之间的夹角近似为 ，本发明忽略定子电阻，则其定子磁链定向和定子电压定向，二者没有区别，忽略定子电阻，采用电压和磁链定向后满足的方程为：
，
为定子磁链的幅值；
建立定子电流项与转子电流项之间的关系为：
建立无定子电流项的状态方程为：
式中，
， ，
。
4.根据权利要求1所述的基于滑模观测器的双馈感应发电机故障检测方法，其特征在于，
步骤五中，根据状态方程构造转子电流观测器，将所提出的滑模控制率应用到转子电流观测器上的方法为：
建立转子电流观测器为：
式中 ， ， ，
， ， ，为控制率，
分别为 轴的转子电流观测值， 为转速的观测值， 分别为 轴的定子
和转子的电压矢量， 分别为转子跟定子电阻， 分别为定子跟转子的自感， 为定子与转子之间的互感， 分别为转子转速，定子转速和滑差转速， 为定子磁链的幅值；
结合滑模控制理论，选定滑模控制率为：
式中， ， ， ， 为滑模增益，满足 时，
便得到新型的滑模观测器，其中 为滑模参数。
5.根据权利要求1所述的基于滑模观测器的双馈感应发电机故障检测方法，其特征在于，
步骤六中，根据转子电流信号，转子电流观测值，获得同步旋转 轴转子电流故障残差的方法为：
，
，
式中, 分别表示同步旋转坐标系下的 轴转子电流分量和 轴转子电流分量，分别表示同步旋转坐标系下的 轴转子电流观测值分量和 轴转子电流观测值分量，分别为同步旋转坐标系下 、 轴转子电流判断故障的阀值。
6.根据权利要求1所述的基于滑模观测器的双馈感应发电机故障检测方法，其特征在于，
步骤七中，检查电压跌落故障的方法为：
建立电压故障为 ，其中， 为电网电压幅值， 是电网电压电角
速度， 是表示故障程度的百分比，当所获得的 ， 时，
发生电压跌落故障，当 ， 时，为未有故障发生情况，其
中 分别表示同步旋转坐标系下的 轴转子电流分量和 轴转子电流分量， 分别表示同步旋转坐标系下的 轴转子电流观测值分量和 轴转子电流观测值分量， 分别为同步旋转坐标系下 、轴转子电流判断故障的阀值。
7.根据权利要求1所述的基于滑模观测器的双馈感应发电机故障检测方法，其特征在于，
步骤八中，检查定子匝间故障的方法为：
其电阻值为 , 为定子电阻值， 为发生定子匝间故障时定子电阻变化量， 为发生定子匝间故障后其所得的电阻值，所获得的 ，
时，发生电阻跌落故障，当 ， 时，为未有故障发生情况，
其中 分别表示同步旋转坐标系下的 轴转子电流分量和 轴转子电流分量，分别表示同步旋转坐标系下的 轴转子电流观测值分量和 轴转子电流观测值分量，分别为同步旋转坐标系下 、 轴转子电流判断故障的阀值。
8.根据权利要求1所述的基于滑模观测器的双馈感应发电机故障检测方法，其特征在于，
步骤九中，检查转子电流传感器故障的方法为：
其在发生转子电流传感器故障的情况下，设定其加入故障值为 ，
所获得的 时，发生传感器故障，当 ，
时，为未有故障发生情况，其中 分别表示同步旋转坐标系下的
轴转子电流分量和 轴转子电流分量， 分别表示同步旋转坐标系下的 轴转子电流观测值分量和 轴转子电流观测值分量， 分别为同步旋转坐标系下 、 轴转子电流判断故障的阀值。
基于滑模观测器的双馈感应发电机故障检测方法
技术领域
背景技术
发明内容
步骤二、将定子、转子电压信号通过clark和park变换得到同步旋转 坐标系下定转子电压信号 ，同时将定子、转子电流信号通过clark和park变换得到同步旋转坐标系下定转子电流信号 ；
步骤三、根据双馈感应电机的电压方程和磁链方程，建立状态空间方程，其中同步旋转坐标系下的定子电流信号 和转子电流信号 为状态方程的状态变量，同步旋转坐标系下的定子电压信号 和转子电压信息 为状态方程的输入变量；
步骤四、仅考虑定子电流 状态空间模型时，采用定子电压定向控制方法，可求出定子电流项与转子电流项之间的相互关系，将状态空间模型中的转子电流项取代定子电流项，可得到无定子电流项的状态方程，其中转子电流信号 为状态变量，定子电压信号和转子电压信息 为状态方程的输入变量；
步骤五、根据状态方程构造转子电流观测器，将所提出的新型滑模控制率应用到转子电流观测器，其中转子转速和转子电流为观测值，通过所构造的滑模观测器分别获得同步旋转坐标系下的转子电流观测值 和转子转速观测值 ；
步骤六、在无速度传感器的情况下，应用转子转速所得观测值带入状态方程求得转子电流观测值，根据转子电流信号，转子电流观测值，获得同步旋转 轴转子电流故障残差值；
步骤七、当电网侧发生电压跌落故障情况下，在某个时间段设定三相电压接地，通过转子电流测量值与观测值的残差值来实现系统的电压跌落故障检测；
步骤八、由于定子匝间故障是导致感应电机失效的主要原因之一，在某个时间段设定定子匝间发生短路故障，通过转子电流测量值与观测值的残差值来实现系统的定子绕组故障检测；
步骤九、在考虑转子电流传感器故障的情况下，在转子电流传感器输出端加入扰动，通过转子电流测量值与观测值的残差值来实现系统的传感器故障检测。
具体实施方式
步骤二、将定子、转子电压信号通过clark和park变换得到同步旋转 坐标系下定转子电压信号 ，同时将定子、转子电流信号通过clark和park变换得到同步旋转坐标系下定转子电流信号 ；
步骤三、根据双馈感应电机的电压方程和磁链方程，建立状态空间方程。其中同步旋转坐标系下的定子电流信号 和转子电流信号 为状态方程的状态变量，同步旋转坐标系下的定子电压信号 和转子电压信息 为状态方程的输入变量；
步骤四、仅考虑定子电流 状态空间模型时，采用定子电压定向控制方法，可求出定子电流项与转子电流项之间的相互关系，将状态空间模型中的转子电流项取代定子电流项，可得到无定子电流项的状态方程，其中转子电流信号 为状态变量，定子电压信号和转子电压信号 为状态方程的输入变量；
步骤五、根据状态方程构造转子电流观测器，将所提出的新型滑模控制率应用到转子电流观测器，其中转子转速和转子电流为观测值，通过所构造的滑模观测器分别获得同步旋转坐标系下的转子电流观测值 和转子转速观测值 ；
步骤六、在无速度传感器的情况下，应用转子转速所得观测值带入状态方程求得转子电流观测值，根据转子电流信号，转子电流观测值，获得同步旋转 轴转子电流故障残差值；
步骤七、当电网侧发生电压跌落故障情况下，在某个时间段设定三相电压接地，通过转子电流测量值与观测值的残差值来实现系统的电压跌落故障检测；
步骤八、由于定子匝间故障是导致感应电机失效的主要原因之一，在某个时间段设定定子匝间发生短路故障，通过转子电流测量值与观测值的残差值来实现系统的定子绕组故障检测；
步骤九、在考虑转子电流传感器故障的情况下，在转子电流传感器输出端加入扰动，通过转子电流测量值与观测值的残差值来实现系统的传感器故障检测。
所述电压方程为：
，
，
所述的磁链方程为：
，
，
，
式中， 分别为 轴的定子和转子的电压矢量， 分别为
轴的定子和转子的电流矢量， 分别为 轴的定子和转子的磁通矢
量， 分别为转子跟定子电阻， 分别为定子跟转子的自感， 为定子与转子之间的互感， 分别为定子与转子的漏感， 分别为转子，定子转速和滑差转速；
当 电流分量作为状态变量， 电压分量作为输入量，DFIG的状态空间方程为：
其中 ，表示漏感系数。
所述仅考虑定子电流 状态空间模型时，其状态空间模型为：
式中， ， ， ，
， ， ，
， 分别为 轴的定子和转子
的电压矢量， 分别为 轴的定子和转子的电流矢量， 分别为转子跟定
子电阻， 分别为定子跟转子的自感， 为定子与转子之间的互感， 分别为转子转速，定子转速和滑差转速，
由于变速恒频双馈感应发电机在电路存在磁路上的耦合，为了实现有功功率和无功功率的解耦，采用了矢量控制，将三相静止坐标系下的定子三相电流进行 旋转坐标变换，分解为励磁电流分量和转矩电流分量。类似直流电机的转矩控制，在调速过程中，保持励磁电流分量不变，改变转矩电流分量控制电磁转矩，进行调速。本发明采用电压定向矢量控制技术，将双馈感应发电机定子电压空间矢量定向在同步旋转 坐标系下的 轴上，实际应用中，尤其是对大功率双馈感应发电机，随着功率的增加，其电感更大而电阻更小，因此其定子电阻上的压降和总的压降相比要小很多，直接后果就是定子电压与磁链之间的夹角近似为 ，本发明忽略定子电阻，则其定子磁链定向和定子电压定向，二者没有区别。忽略定子电阻，采用电压和磁链定向后满足的方程为：
，
，
为定子磁链的幅值，
建立定子电流项与转子电流项之间的关系为：
，
建立无定子电流项的状态方程为： ，
式中， ， ，
。
建立转子电流观测器为： ，
式中 ， ， ，
， ，
， 为控制率， 分别为 轴的转子电流观测值， 为转
速的观测值， 分别为 轴的定子和转子的电压矢量， 分别为转子
跟定子电阻， 分别为定子跟转子的自感， 为定子与转子之间的互感， 分别为转子，定子转速和滑差转速， 为定子磁链的幅值，
为了保证当系统状态远离滑动模态时，能以较大的速度趋近于滑动模态，当系统状态趋近滑动模态时，保证较小的控制增益，以降低抖振，在传统趋近率的基础上，本发明提出新型控制率为 ；
式中， ， ， ， 为滑模增益，满足
时，其中 为滑模参数，便得到新型的滑模观测器。
，
，
式中, 分别表示同步旋转坐标系下的 轴转子电流分量和 轴转子电流分量，分别表示同步旋转坐标系下的 轴转子电流观测值分量和 轴转子电流观测值分量， 分别为同步旋转坐标系下 轴转子电流判断故障
的阀值。
建立电压故障为 ，其中， 为电网电压幅值， 是电网电压电
角速度， 是表示故障程度的百分比，所获得的 ， 时，发生电
压跌落故障，当 ， 时，为未有故障发生情况，其中 分别表
示同步旋转坐标系下的 轴转子电流分量和 轴转子电流分量， 分别表示同步旋转坐标系下的 轴转子电流观测值分量和 轴转子电流观测值分量 分别为同步旋转坐标系下 轴转子电流判断故障的阀值。
其电阻值为 , 为定子电阻值， 为发生定子匝间故障时定子电阻变化
量， 为发生定子匝间故障后其所得的电阻值，所获得的 ，
时，发生电阻跌落故障，当 ， 时，为未有故障发生情况，其中
分别表示同步旋转坐标系下的 轴转子电流分量和 轴转子电流分量， 分别表示同步旋转坐标系下的 轴转子电流观测值分量和 轴转子电流观测值分量， 分别为同步旋转坐标下 轴转子电流判断故障的阀值。
其在发生转子电流传感器故障的情况下，设定其加入故障值为
，所获得的 ， 时，发生传感器故
障，当 ， 时，为未有故障发生情况，其中 分别表示同步旋
转坐标系下的 轴转子电流分量和 轴转子电流分量， 分别表示同步旋转坐标系下的轴转子电流观测值分量和 轴转子电流观测值分量， 分别为同步旋转坐标系下轴转子电流判断故障的阀值。
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