风力发电机内部故障的容错控制:案例研究变速箱效率降低

文摘

本文提出一种方法来控制风力发电机的转子转速的齿轮箱故障效率。这种故障发生由于缺乏润滑。它影响的动态主要轴和转子转速。容错控制的原则是要找到一个集团相等的动态健康和错误的情况下。有效减少影响不仅动态稳态值的转子速度。最后一个原因使它强制添加一个积分项之间的稳态误差取消剩余转子转速测量和操作点。验证了该方法的收敛对转子参数和评估其有效性通过转子速度。

1。介绍

风力涡轮机是一个机电设备中提取能源的风能和喂给客户通过网格。风力发电机是由几个相互关联的组件。首先,转子变换定义的气动转矩(1)机械转矩。后者是通过传统的发电机转换成电能。转子和发电机之间的债券是由机械变速箱的偏见。变速器的作用是保持相同的权力从转子发电机通过一个转换比率Ng (1]。图1总结了不同的现代风力涡轮机组件。 风力涡轮机(WT)在两个截然不同的地区运营。第一个区域称为温和的风(< 7 s / m)。在这个区间,WT通过控制发电机转矩最大化提取的能量中包含的风。第二个区域称为大风区域(> 7 m / s)的目标是保持恒功率标称值。这是通过控制三个执行机构存在的每个刀片。这些致动器被称为球场,因为他们让叶片螺距角对其纵轴。俯仰运动,叶片是否暴露(0°音高)(90°音高)风然后转子速度是加速或减速2]。建模的概述和风力发电机的控制系统可以发现在3]。

然而,灰尘和潮湿环境诱发退化在某些关键部件如叶片、轴、传感器、发电机、齿轮箱等机械部件。此外,具有挑战性的情况下,风力涡轮机操作(大风和动荡,传感器故障,和致动器4)需要高可用性系统。出于这个原因,容错控制策略(5]阐述了防止错误和失败的破坏性影响涡轮结构(6]。大多数联邦贸易委员会两个集团组成的方法。第一集团估计故障并提供振幅信息和断层的形状。过去的信息然后提供给联邦贸易委员会集团建立一个新的控制律适用于错误的情况。生产执行的新的控制律可以通过改变调节器的参数或添加一个新的术语,旧的控制律补偿故障。更多细节错误的风力涡轮机和他们的贸易委员会可以发现在7),不同类型的故障严重程度及其相应的引用。泄漏故障的液压执行机构的高严重性无法解决,唯一的解决办法是关闭风力涡轮机可能维护。

在本文中,考虑断层的降解效率的变速箱连接发电机的转子。它是中等程度的故障影响转子的动态,然后恶化速度调节的结果。它将表明,故障可以被认为是一个内部故障和合适的容错策略应用。

2。风力发电机模型

考虑名义风力涡轮机控制的目的是为了调节转子速度大约40 rpm的操作价值。选择操作风速是18 m / s根据Kaimal分配30%的变化。

叶片距操作角度是9°。这个操作点属于大风地区唯一的目的是调节通过调节转子速度。这可以防止风轮机超过标称值和不受损坏由于大风。风力发电机的参数提取软件快速通过线性化(8]。快速工业软件开发的国家可再生能源实验室在科罗拉多州测试和验证控制律在风力涡轮机之前物理实现。

考虑控制目标需要考虑转子和变速箱模型。

2.1。转子速度模型

风力发电机的转子模型提取运用力学第一定律的涡轮机,是由 在哪里 ; 等 。气动转矩应用风叶片和定义为(1)。风速的变化,螺旋角的变化,转子转速的变化,操作点。是总风力涡轮机的惯性。选择操作点的线性化 ; ;和 。

2.2。齿轮箱模型

齿轮箱是用来适应低速(40 rpm)的转子的高速发电机(1500 rpm),同时保持相同的两个节点之间的权力。这种关系可以模仿以下方程: 发电机的速度,是发电机的惯性,发电机转矩,轴转矩原理,和分别是变速箱的效率和倍增系数。参数的变化导致发电机速度的一种变体。这种变化也传递给转子由于 : 扭矩是一幅的气动力矩。的扭矩应该仔细估计为9]。

2.3。气动转矩估计

传动系的气动转矩可以估计模型。

2.3.1。传动系模型

低速轴的传动系由(转子)互连高速轴(发电机)通过机械变速箱比Ng。传动系模型是微分方程如下: 转子惯性,是发电机的惯性,恢复力是应用于低速轴。轴是由空气动力力矩。发电机转矩等效低速轴用于轴加速或减速。和的阻尼和刚度系数原则轴。

2.3.2。转矩估计循环

在文学中,许多方法已经提出了气动转矩估计。作者在10)提出了一种基于π的观察家估计气动扭矩。在[11]作者使用卡尔曼滤波器重构气动扭矩傅里叶系数。本文提出的方法是基于气动转矩之间的传递函数和转子速度 。然而,在大多数情况下,转子速度无法衡量;测量发电机的速度对低速轴可以被认为是一个好的近似转子速度。事实上,瞬变后,转子和发电机速度大约相当于低速轴是相同的,在严格的等效轴的情况下,或者当阻尼机械轴的扭转模式。

传递函数之间的气动转矩和发电机的速度获得操作后(5)如下: 在哪里 ; ; ;和 。

这个想法是为了使模型速度足够接近测量, ,通过作用于模型和适当的气动转矩 。这可能是通过反馈评估执行循环呈现在图2。作者在前面的作品相比,由于传递函数已经包含一个积分器的术语,假设的意思频率足够低,只需要行动的比例估计 。瞬变后,模型的输出收敛于和它的输入收敛于实际的转矩 。最后,可以被看作是一个估计的实际气动扭矩 。转矩估计量成比例增益选择以这样的方式,最慢极的闭环传递函数取消了。

图3显示了实际和气动转矩估计。实际的气动转矩图表示3获得蓝色的比较由以下方程: 是涡轮转子轴的惯性。轴转矩(KNm)和转子加速度(度/秒²)可以从快速获得软件输出。在工业风力涡轮机,应变计的机械轴上安装风力发电机测量轴扭矩。转子加速度是由加速度计测量。

请注意,转矩估计量成比例增益;速度跟踪误差,高速轴的发电机转矩,是变速箱比,这个词吗低速轴的发电机转矩;对低速轴模型生成器速度;测量发电机的速度;低速轴的恢复力;是模型转子转速;气动转矩估计。

定义实际气动转矩之间的平均收敛误差和气动转矩估计沿着的样本数据: 在目前的情况下模拟,得到相对误差为1.8%。转矩估计可以被认为是足够精确的。

2.4。气动转矩估计过滤

在本节中,进行光谱分析来确定风速频率的传播产生的转矩和机械振动。目标是重建频率与风速相关的。数据4和5显示风速剖面的功率谱密度和空气动力力矩,分别。

人能注意到风和中包含的频率有显著影响转子的扭矩驻留在低频率范围(< 0.12赫兹)。除此之外发生的峰值区域是机械结构的振动的结果由于励磁由风引起的。气动转矩估计,将用于重建风的速度,因此应该过滤根据先前的评论。在我们的系统中,我们选择了一个低通滤波器的0.4赫兹的带宽。图6显示过滤后的功率谱密度和nonfiltered扭矩。

从图6,一个人可以注意到超过0.4赫兹频率衰减和过滤。

2.5。变速箱效率评估

评估的主要轴扭矩后,变速箱效率的变化可以通过(估计3),在12通过以下操作: 图7显示了齿轮箱的故障检测方案的效率。

测量电机转速,是循环跟踪误差,估计是传动系效率,对低速轴发电机转矩,然后呢是此前估计轴扭矩。Y是测量变量来跟踪模型的输出。是比例动作传递函数用于估计。是一个常数获得 。

在目前的情况下,增加成比例是固定在较低的值逐渐增加,直到我们有良好的估计结果。对于这个涡轮,我们发现最优为0.9。

图8代表不同的结果的估计不同的变速箱效率。的估计构成故障残的,由(10),用于激活的容错控制如果变速箱故障发生。事实上,当 ,这意味着变速箱的效率降低和容错控制集团应该被激活。 由于故障在影响发电机的速度(3),发电机转速与转子速度通过(4),它可以得出的结论是,此错误只影响所代表的转子的动力学参数在(3)。验证这个结论只有在假设没有驱动器故障传感器的缺点都不是在同一时间与齿轮箱故障效率的损失。

2.6。变速箱效率对动态矩阵的特征值的影响

图9说明了动态矩阵的特征值的变化对变速箱的效率。为效率不到20%,特征值的变化快0.62梯度的绝对值。这种梯度变得慢0.1633值超过20%的效率。为值低于20%,这意味着,很容易到达附近的特征值不稳定(0)附近比值超过20%。表示曲线在图的代数方程9是由 在哪里 ; ; 。

这段显示效率故障影响系统的稳定性。因此,容错控制是必要的。

3所示。容错控制策略

3.1。动态均衡增益

计算的容错集团应满足以下条件: 在哪里 , ,和代表的动态,输入操作和测量矩阵的健康系统。代表了断层和动态影响矩阵欧盟是计算,在哪里 解决(12)对而应用于模型的风力涡轮机(2)的价值K: 在哪里和涡轮中定义的相关系数(2健康的转子的模型。是系数但是在错误的情况。

然后给出了新的控制律

3.2。动态均衡方法的收敛性

让我们定义的健康系统(2)和错误的系统 和错误的转子速度和健康之间的误差被定义为转子速度 给出的动态误差 通过在(14),误差动力学 自是负的(通过转子的性质),动态误差收敛于零随着时间的发展。可以得出的结论是,方法的稳定性取决于初始系统的稳定和健康的任何偏差速度将只有模型的缺陷造成的。

3.3。稳定状态重构的残余集成

变速箱效率也影响转子转速的稳定状态。为此,需要取消一个组成部分之间的静态错误40 rpm和实时测量转子速度。全球容错控制律给出的 在这个模拟过程中,良好的价值−0.03。

3.4。收敛的集成策略

我们把在(14),误差动力学使用控制律(20.)成为 这意味着 动力学(22)是稳定的,如果矩阵的特征值是真正的负面部分。给出了矩阵的特征值和在(23), 获得特征值与负实际零件,应该解决不平等 。 而是负的,是正的,应该是固定的负 有稳定的集成方法。

3.5。鲁棒性的考虑

我们定义一个鲁棒性水平这应该robustify方法(由错误呢迎着风干扰 。被验证是由不平等 在哪里 和 转子转速偏差从操作速度。联邦贸易委员会法应用后,闭环转子系统 摘要,所需的转子速度参考从操作速度是0 rpm偏差40 rpm。方程(26)可以简化 就相当于和错误 。所以不等式得到证实 目标是提取湍流之间的传递函数和转子速度 。对于这个目标,应用拉普拉斯变换 如果考虑干扰的效果,可以通过传递函数 如果拉普拉斯算子取而代之的是 ,在哪里是复数吗是脉动 。的模块,然后由传递函数 通过替换(31日)(28),不平等(28)就相当于 两者之间的不平等符号改变最后一行(32)因为这个词不如为0。

最后, 然后,以确保鲁棒性水平 ,并给予一个脉动 (rad / s)的设计参数应验证不平等(33)。建议采取风中包含的最大频率等于1 Hz的部分2,图4。

4所示。结果和讨论

图10说明了转子转速的名义,错误的,容错。为了评估方法的有效性,(根据纵坐标轴)之间的距离两个点在曲线上。第一点是P1与横坐标143秒和第二点P2横坐标的90.34秒。在名义情况下,区别P1和P2的纵坐标是8.1转;这个值就变成了11.5 rpm在错误的情况下。通过使用容错控制策略,此值减少到9.2 rpm。如同样的图所示10,不仅动力学的影响,而且转子速度的稳态值变得更接近40 rpm操作点由于积分项在控制律。

图11说明了螺旋角的三个情况。它可以表示,在错误的情况下(红色),名义监管机构“尝试”击败速度的偏差产生一些俯仰角度但没有令人满意的结果。通过添加这个词旧的控制信号,努力成为更大、点P1和P2的区别是减少。在集成的方法,努力成为更大一部分显然影响螺距角取消了稳态误差。

与其他方法相比,提出的策略可以转子速度,同时保持生成的力量不断在故障发生之前。事实上,另一个方法是减少操作点发电机转矩(3)保持同样的发电机转速变化然后相同的转子速度变化 。这可能是由发电机转矩输入乘以估计变速箱效率。这种方法有助于保持转子速度是但影响发电机转矩,然后生成的表达式是由的权力 本文的方法使用沥青致动器代替发电机转矩,这有助于保持生成功率不变然后不断满足客户需求的电能。

5。结论

本文由几个步骤组成的容错控制方法提出了处理变速箱效率的损失。这种故障发生由于尘土飞扬的环境的现代大型风力涡轮机。第一步是通过合适的传递函数估计轴转矩之间的转子速度和轴扭矩。最后转矩用于实时估计变速箱通过合适的循环效率。估计的效率是用于选择相应的特征值从图9。设计系数计算的动力学prefault和postfault病例是平衡的。转子转速稳态是重建通过添加一个组成部分之间的残余和参考测量转子转速(零偏离操作需要点)。

另一方面,基于性能的条件,帮助选择设计参数积分得到 。基于剩余不应受风力影响干扰;一个性能水平θ提出了验证 。过去的不平等有助于给负面的(因为通过建设负)下限吗的函数θ作为 。

方法的特点是它易于精化和参数设计,特别是帮助保持连续生产的力量与基于发电机转矩的方法。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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