基于容错控制的风力发电机运行可靠性研究

基于容错控制的风力发电机运行可靠性研究关键词：风力发电机，可靠性，容错控制，硬件冗余，传感器1引言实现容错控制是提高动态系统可靠性的有效手段,由于风力发电机运行时对安全性与可靠性有很高的要求,因此,开展对风力发电机容错控制技术的研究具有重要意义。目前,在这方面的研究很少。因此,本文在引入容错控制技术的基础上,结合风力发电机控制系统的特点,融合模糊神经网络故障诊断技术,利用一种容错控制律重组方法,它以正常情况下的动态模型作为参考模型,以保证发生传感器故障后系统的动态响应尽可能接近参考模型的响应作为设计目标,通过最优化算法实现控制律重组的离线设计[1-4]。在这种方法中,利用集成智能传感器容错控制方案[5-6]来实现风力发电机的容错控制。2风力发电机控制系统的特点风力发电机的控制系统一般采用电流反馈与速度反馈双闭环的控制方式,可控硅－电动机(KZ-D)调速系统就是典型的例子。图1为典型的KZ-D双闭环系统的原理图和动态结构图。风力发电机双闭环KZ-D控制系统的传递函数:风力发电机控制系统由速度调节器传递函数电流调节器传递函数可控硅装置(包括移相触发器)的传递函数电动机的传递函数为两个环节组成、速度反馈传递函数为电流反馈传递函数为等环节组成。根据以上各个环节,绘出双闭环KZ-D系统的动态结构如图1所示。经过简化处理与计算,分别得到电流环和速度环的动态结构,如图2和图3所示。其传递函数计算如下:(1)电流环的闭环传递函数(2)速度环的开环传递函数将小惯性环节合并,令3基于动态硬件冗余的制动系统执行器失效的容错控制由前面的分析可知,制动系统是风力发电机的重要组成部分,用于风力发电机在运行中进行安全制动,是风力发电机的最后一道安全屏障。由于风力发电机在生产中的极端重要性,因此,本文对制动系统的执行器失效故障采用动态硬件冗余的容错控制策略。即当故障诊断系统发出执行器失效报警后,立即由备份执行器代替已失效的执行器的输出,以保证风力发电机在制动阶段的安全运行[7-9]。系统的容错控制结构如图4所示。4实验风力发电机控制回路由控制器、速度传感器、变频器和电机组成,控制器为西门子S7-300,它通过变频器控制电机的转速变化,最终实现风力发电机的正常运行。控制系统如图4所示。在该控制系统中,速度传感器是指加在电机轴上的高精度脉冲编码器,而电机、滚筒、天轮都是风力发电机的组成部分,它们的转速之间存在冗余关系。如图5所示。用天轮的转速和滚筒转速作为输入可以构造反馈速度传感器的状态估计器,状态估计器采用递归神经网络。其输出为速度反馈传感器的输出,利用图6所示的机构模拟传感器故障,拨动开关,利用信号发生器模拟传感器的失效故障。图7是传感器故障时状态估计器与速度反馈传感器输出的比较。图8是参差序列,参差超过阈值0.6,说明传感器出现故障。图5是正常情况下的控制效果。利用本文提出的容错控制策略,当反馈传感器出现故障时,用状态估计器的输出代替故障传感器的输出作为控制器的输入,控制效果如图9所示。与图5比较,说明系统具有容错控制功能,可保证风力发电机的安全运行,避免事故的发生。5结束语容错控制是当前控制系统的研究热点,它包括诸如完整性、可靠镇定、多模型自适应控制、控制率重组、控制率重构、鲁棒容错控制和递阶智能容错控制等多种容错控制方式。本文根据风力发电机控制系统的特点,采用动态硬件冗余的容错控制,实现了在制动系统执行器失效时,系统仍能安全制动。提高了设备运行的安全性与可靠性,避免事故的发生。最后对传感器的故障检测与容错控制进行了实验,结果表明该控制系统具有容错控制功能,本文提出的风力发电机故障诊断与容错控制方法是行之有效的。