双馈风电机组转速观测及容错控制策略

摘要 : 从旋转电机稳定运行基本原理出发, 提出了一种基于锁相环的双馈感应发电机( DF IG) 转速 冗余信号观测方法, 并研究了基于故障诊断的转速传感器容错控制策略 。在介绍双馈风电机组控 制系统转速信号作用的基础上 , 首先建立了基于锁相环的 DF IG 转速信号观测器模型 ; 其次 , 通过 对风速阶跃变化情况下双馈风电机组运行性能的仿真 , 将所构建的转速观测器输出值分别与转速 传感器和闭环转速观测器输出值进行比较; 最后, 提出了一种自适应阈值的转速传感器故障诊断方 法及相应的容错控制策略 , 并以转速传感器可能的软 、 硬故障类型为例, 对机组的容错控制性能进 行了仿真。 研究结果表明 , 提出的转速观测器模型能更好地实现机组转速信号的冗余, 并能准确地 实现机组转速传感器故障时的容错控制 。 关键词: 风力发电 ; 双馈感应发电机 ; 转速观测器 ; 传感器故障; 容错控制
第 35 卷 第 1 期 2011 年 1 月 10 日
Vo l. 35 N o. 1 Jan. 10, 2011
双馈风电机组转速观测及容错控制策略
李 辉1 , 赵 猛1 , 赵 斌1 , 杨 超1 , 唐显虎2
( 1. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 , 重庆市 400044; 2. 重庆前卫仪表厂风电控制设备分公司 , 重庆市 401121)
电机组的变桨控制系统中 , 如图 1( b) 所示。由此可 见 , 转子转速信号和转子位置角信号在控制系统中 起着至关重要的作用 , 为了保证双馈风电机组稳定 运行并达到期望的控制性能 , 需要获得高可靠的机 组转子转速信号和转子位置角信息。
2 转速观测器的构建及其性能仿真
2. 1 转速观测器模型 根据旋转电机 稳定运行的基 本原理, DFIG 在 稳态运行时 , 定子、 转子电流产生的旋转磁场在空间 [ 2, 4] 必定相对静止 , 则有1 = 2 + r ( 1) 式中: 1 为定子磁场旋转的同步电角速度; 2 为转 子磁场相对于转子旋转的电角速度; r 为转子旋转 角速度。 根据式 ( 1) 可以看出, 如果求出 1 和 2 信号, 即能实现对转子转速的观测。因此, 只要求出定子 电压和转子电流的频率就可以在线观测转速信号。 此外, 风电机组控制系统中用到的转子位置角 r , 可 通过对 r 积分得到。图 2 显示了基于锁相环技术 的转速观测器原理框图。图中, 定子电压 U abc_s 和转 子电流 I abc_r 来自于相应传感器输出。
2. 2 锁相环模型 为了电网故障突发及不对称故障下能较好地获 得电网电压的正序分量 , 从而使风电机组能满足低 电压穿越的要求, 本文采用基于双同步坐标系解耦 软件锁相环技术 [ 15] 。其核心思想是将不平衡的电 网电压分为正序和负序 2 个分量, 将 2 个分量通过 + 坐标变换分别对应以 ^ 角速度逆时针旋转的 dq 同 步坐标系和以 ^ 角速度顺时针旋转的 dq - 同步坐标 + 1 系。通过提取电压正序分量, 使其 q 轴分量 u * q = 0, 即可实现电网电压不平衡下锁相环准确输出正序 分量的相位角和频率。其锁相环原理框图如图 3 所 示。图中, abc/ d q+ 和 abc/ dq - 分别为 abc 坐标系到 dq + 和 dq - 坐标系的变换 ; L PF 为低通滤波器。 2. 3 转速观测器性能仿真 为了验证本文构建的转速观测器的运行效果, 本节将对风速扰动下 2 MW 双馈风电机组运行性 能进行仿真 , 并和转速观测器的输出性能进行比较。
Fig. 2
图 2 基于锁相环的转速观测器框图 Diagram of the rotor speed observer based on phase locked loop
图 1 双馈风电机组控制系统中转速信号的应用 Fig. 1 Rotor speed signal applications on a doubly fed wind turbine control system
Fig. 4
图 4 转速观测器的性能仿真 Simulation on perf ormances of the rotor speed observer
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2011, 35( 1)
应阈值的转速信号故障诊断方法及相应的容错控制 策略 , 以转速传感器可能的软、 硬故障类型为例 , 对 2 M W 双馈风电机组的容错性能进行了仿真验证。
1 双馈风电机组控制系统原理
DFIG 定 子 接 电 网 , 转 子 通 过 双 脉 宽 调 制 ( PWM ) 变频器接电网 , 通过对变频器的矢量控制和 变桨控制实现双馈风电机组的变速恒频发电 [ 13 14] 。 其中 , 转子侧变流器矢量控制和变桨控制都与转速 信号和转子位置角信号的检测密切相关, 具体作用 如图 1 所示。图中 : Uabc_ s , I ab c_s , I abc_r 分别为 三相定 子电 压、 三相定 子电流、 三 相转子 电流的 测量值 ; us d , u sq , isd , isq , ird , irq 分别为同步坐标轴系下的定子 电压、 定子电流、 转子电流的 d, q 轴分量; P s , Qs 分 别为定子输出 有功功率、 无功功率的计 算值; P ref , Qref 分别为定子输出有功功率、 无功功率的给定值 ; ird _ref , ir q_ref 分别为同步坐标轴系下转子 d , q 轴电流 * * 的给定值 ; ur d , u rq 分别为同步坐标轴系下转子电压 * 的 d , q 轴给定值 ; uabc_r 为三相转子电压的给定值 ; * s , r 分别为定子电压相位角和转子位置角; ref , r ef 分别为桨距角考虑变化速率限制前后的给定值。
收稿日期 : 2010 08 11; 修回日期 : 2010 09 26 。 输配电装备及系统安全与 新技术 国家重 点实验 室自主 研究 项目 ( 2007DA 10512710101) ; 重 庆 市 科 技 攻 关 计 划 项 目 ( CST C, 2008A B3050) 。
成本增加、 故障率高以及易受干扰等问题 。针对 传感器存在的问题, 较多学者进行了双馈风电机组 无传感器控制方法研究。文献 [ 6 7] 采用闭环转速 观测方案实现无转速传感器控制, 但在机组以同步 转速运行时该观测器用到的转子电流频率为 0, 导 致该观测器无法满足机组同步转速点运行要求。文 献 [ 7] 构建的闭环转速观测器信号只能参与机组的 控制, 不能独立实现开环的速度观测。文献 [ 8 10] 采用模型参考自适应系统( MRAS) 的速度观测器实 现无转速传感器的控制 , 但速度观测器存在动态控 制增益受定子磁链幅值的影响。文献 [ 11 12] 采用 基于转子电流的 M RAS 速度观测方法较好地实现 了无转速传感器的控制 , 但是, 该观测器实现算法较 为复杂 , 工程上不易实现, 且不能用于转速冗余信号 的获取。上述涉及的无传感器控制策略通常都没有 考虑冗余设计问题, 往往较难实现转速传感器故障 后的容错控制。因此 , 能否基于现有测量系统和测 量信号 , 实现对双馈风电机组转速信号的观测, 为现 有转速传感器或无传感器控制提供冗余 , 实现机组 转速传感器的故障诊断和容错控制是亟须解决的一 个重要问题。 本文应用双馈风电机组定子、 转子磁场在空间 相对静止的稳定运行原理 , 首先利用定子电压和转 子电流频率建立了基于锁相环技术的转速观测器模 型。其次, 通过对风速阶跃变化下双馈风电机组运 行性能的仿真, 将所构建的转速观测器模型输出结 果分别与转速传感器和文献 [ 12] 中提出的闭环转速 观测器输出结果进行比较。最后, 提出了一种自适 77
在图 1( a) 中, 通常采用转速传感器检测转子转 速信号和转子位置角信号。其中 , 转子转速信号用 于功率外环定子有功功率给定值的计算, 由此实现 最大风能捕获的控制, 转子位置角信号用于转子电 流从三相静止坐标系到两相同 步旋转坐标系 的变 换, 以及转子控制电压从两相同步旋转坐标系到三 相静止坐标系的逆变换。此外 , 为了保护机组在机 械转速限制内安全运行, 转速信号也应用于双馈风 78
0 引言
随着并网风力发电机组的单机容量日益增大 , 以及大型风电场尤其是海上风电场的规划、 建设和 运行 , 如何提高和保障风力发电机组的运行可靠性 [ 1] 已经成为国内外工程界和学术界关注的焦点 。目 前, 双馈风电机组以其变速恒频发电的优势已成为 兆瓦级风力发电机组的主流机型 [ 2 4] 。双馈风电机 组控制系统的实时可靠运行直接影响风电机组运行 的安全性和利用率。在双馈风电机组控制系统中 , 转速信 号和 转 子位 置 角信 号是 双 馈 感应 发 电 机 ( DF IG) 矢量控制的重要参数 , 一旦相应传感器出现 故障 , 将直接导致转速和转子位置角信号的丢失或 者不稳定 , 进而直接影响机组的控制性能, 甚至导致 系统不稳定。所以 , 当转速传感器信号用于双馈风 电机组的控制时 , 通过观测器实现转速和转子位置 角信号的在线观测 , 可有效获取转速和转子位置角 的冗余信号并实现相应传感器的故障诊断和容错控 制, 对于保障风电机组安全可靠运行具有重要的现 实意义。 目前 , 对双馈风电机组转速和转子位置角信号 的提取有传感器测量和无传感器控制 2 种方法 , 其 中, 利用实际传感器测量的方法大多通过硬件冗余 来提高机组的可靠性 , 但存在传感器安装维护困难、
绿色电力自动化
李
辉, 等
双馈风电机组转速观测及容错控制策略
图 3 双同步坐标解耦下的锁相环原理图 Fig. 3 Principle diagram of a decoupled double synchronous reference frame phase locked loop
其中 , DFIG 采用基于定子磁链定向的功率解耦控 制技术[ 2] , 基于最优转速控制的最大风能捕获策略 以及转速 限 制 的 变 桨控 制 策 略[ 4] , 如 图 1 所示。 DFIG 主要电气参数为: 额定功率 2 MW; 额定电压 690 V; 额定频率 50 H z; 定子电阻 0. 006 01, 定子漏 感 0. 062 4, 转子电阻 0. 009 93, 转子漏感 0. 075 2, 定子、 转子互感 3. 97, 其电阻和电感均为标幺值; 额 定转速 1 755 r/ min; 极对数 2。 在以下的仿真研 究中, 假定风速为 10 m/ s, 在 第 2 s 时刻由 10 m/ s 阶跃到 8 m / s, 转速观测器输 出性能的仿真结果如图 4 所示。 从图 4( a) 可以看出 , 转子转速和转子位置角观 测值能很好地跟随 各自实际传感 器值的变化。从 图 4( b) 可以看出 , 在转 子电流 波形 频率为 0 的 时 刻, 锁相环模型准确测量出了其频率过 0 的变化过 程, 证明观测器在同步转速 ( 1 500 r/ min) 时仍然可 以很准确地实现转速信号的在线观测。因此, 可间 接证明当转速传感器信号应用于风电机组控制时 , 本文建立的观测器模型能很好地实现转速信号的在 线观测, 即可以作为转速传感器测量的冗余信号。 为了进一步对比本文构建的速度观测器与无传 感器控制时常用的闭环速度观测器的效果 [ 12, 16] , 下 面针对文献[ 12] 提到的基于转子电流 MRAS 的转 速观测器构造方法进行仿真比较。风速变化和图 4 仿真时相同。首先是采用转速传感器信号控制的情 况下 , 用文献[ 12] 的观测器进行开环的独立转速观 测, 得到的独立观测值和转速传感器输出值的比较 结果如图 5 所示。其次 , 利用文献 [ 12] 的转速观测 器信号代替转速传感器信号, 用于无转速传感器的 控制时, 仿真得到的无传感器观测值也如图 5 所示。 从图 5 可 以看出 , 将 文献 [ 12] 基于 转子电 流 MRAS 的转速观测器用于独立进行开环转 速观测