基于容错控制的风力发电机运行可靠性研究.doc

基于容错控制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
实现容错控制是提升动态系统可靠性有效手段,因为风力发电机运行时对安全性与可靠性有很高要求,所以,开展对风力发电机容错控制技术研究含相关键意义。现在,在这方面研究极少。所以,本文在引入容错控制技术基础上,结合风力发电机控制系统特点,融合模糊神经网络故障诊疗技术,利用一个容错控制律重组方法,它以正常情况下动态模型作为参考模型,以确保发生传感器故障后系统动态响应尽可能靠近参考模型响应作为设计目标,经过最优化算法实现控制律重组离线设计[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]来实现风力发电机容错控制。
2  风力发电机控制系统特点
风力发电机控制系统通常采取电流反馈与速度反馈双闭环控制方法,可控硅－电动机(KZ-D)调速系统就是经典例子。图1为经典KZ-D双闭环系统原理图和动态结构图。

风力发电机双闭环KZ-D控制系统传输函数:
风力发电机控制系统由速度调整器传输函数电流调整器传输函数可控硅装置(包含移相触发器)传输函数电动机传输函数为两个步骤组成、 速度反馈传输函数为电流反馈传输函数为等步骤组成。依据以上各个步骤,绘出双闭环KZ-D系统动态结构如图1所表示。
经过简化处理与计算,分别得到电流环和速度环动态结构,如图2和图3所表示。其传输函数计算以下:

(1)  电流环闭环传输函数
(2)  速度环开环传输函数
将小惯性步骤合并,令

3  基于动态硬件冗余制动系统实施器失效容错控制
由前面分析可知,制动系统是风力发电机关键组成部分,用于风力发电机在运行中进行安全制动,是风力发电机最终一道安全屏障。因为风力发电机在生产中极端关键性,所以,本文对制动系统实施器失效故障采取动态硬件冗余容错控制策略。即当故障诊疗系统发出实施器失效报警后,立刻由备份实施器替换已失效实施器输出,以确保风力发电机在制动阶段安全运行[7-9]。系统容错控制结构如图4所表示。

4  试验
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,它经过变频器控制电机转速改变,最终实现风力发电机正常运行。控制系统如图4所表示。
在该控制系统中,速度传感器是指加在电机轴上高精度脉冲编码器,而电机、 滚筒、 天轮都是风力发电机组成部分,它们转速之间存在冗余关系。如图5所表示。

用天轮转速和滚筒转速作为输入能够结构反馈速度传感器状态估量器,状态估量器采取递归神经网络。其输出为速度反馈传感器输出,利用图6所表示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失效故障。图7是传感器故障时状态估量器与速度反馈传感器输出比较。图8是参差序列,参差超出阈值0.6,说明传感器出现故障。图5是正常情况下控制效果。

利用本文提出容错控制策略,当反馈传感器出现故障时,用状态估量器输出替换故障传感器输出作为控制器输入,控制效果如图9所表示。与图5比较,说明系统含有容错控制功效,可确保风力发电机安全运行,避免事故发生。

5  结束语
容错控制是目前控制系统研究热点,它包含诸如完整性、 可靠镇静、 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个容错控制方法。
本文依据风力发电机控制系统特点,采取动态硬件冗余容错控制,实现了在制动系统实施器失效时,系统仍能安全制动。提升了设备运行安全性与可靠性,避免事故发生。最终对传感器故障检测与容错控制进行了试验,结果表明该控制系统含有容错控制功效,本文提出风力发电机故障诊疗与容错控制方法是行之有效。