風力發(fā)電系統(tǒng)多故障診斷與容錯控制的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種風力發(fā)電系統(tǒng)的多故障診斷與容錯控制方法，首先利用T?S模糊算法建立風力發(fā)電系統(tǒng)的全局模糊模型；利用傳感器硬件冗余技術(shù)結(jié)合執(zhí)行器故障的特點，將執(zhí)行器故障轉(zhuǎn)化為傳感器故障，建立多故障診斷邏輯表，實現(xiàn)多故障檢測；其次引入濾波器，將傳感器故障轉(zhuǎn)化為執(zhí)行器故障，建立虛擬執(zhí)行器故障，通過對虛擬執(zhí)行器故障的重構(gòu)來實現(xiàn)兩種故障同時重構(gòu)；最后基于故障重構(gòu)值對控制器的輸入與輸出進行校正，實現(xiàn)主動容錯控制。其優(yōu)點是本方法能夠同時實現(xiàn)執(zhí)行器與傳感器故障并存的風力發(fā)電系統(tǒng)的診斷與重構(gòu)，實時在線獲取精確的故障信息，進行容錯控制，增強了系統(tǒng)處理未知故障的能力，提高了故障下的風能轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】
風力發(fā)電系統(tǒng)多故障診斷與容錯控制
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種風力發(fā)電系統(tǒng)的多故障診斷與容錯控制，基于FDD單元在線實時 獲取的精確故障信息對故障進行主動容錯控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 風電能源是世界上發(fā)展最快的可再生能源，已經(jīng)成為解決世界能源問題不可或缺 的重要力量。風力發(fā)電設(shè)備一般位于高山或遠離海岸的偏遠地域，氣候變化不可預測，在運 樣高度惡劣、復雜的工作環(huán)境中，執(zhí)行器、傳感器故障發(fā)生頻繁。
[0003] 風力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，元部件眾多，其中執(zhí)行機構(gòu)最為復雜，包括傳動系 統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等，承載的負荷最大，發(fā)生故障的概率最大，對系統(tǒng)的安 全可靠性影響也最大。同時為保障系統(tǒng)可靠運行，系統(tǒng)內(nèi)部需要安裝多個傳感器，盡可能將 全面的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集模塊，并由數(shù)據(jù)采集模塊將運些數(shù)據(jù)傳送到主控系統(tǒng)，經(jīng)過分 析和處理后，發(fā)出相關(guān)控制指令，若運些傳感器發(fā)生故障，會直接影響到系統(tǒng)的運行，特別 的，如果故障傳感器的輸出信號被反饋于系統(tǒng)控制器，將導致系統(tǒng)性能降低甚至失控。為此 對風力發(fā)電系統(tǒng)進行實時故障診斷，實施有效的容錯控制W確保風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性勢 在必行。
[0004] 故障診斷作為主動容錯控制的重要支持技術(shù)之一，增強了系統(tǒng)處理未知故障的能 力，但只能判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，故障重構(gòu)作為故障診斷的有力補充，在實現(xiàn)故障檢測和 分離的同時，可得到故障大小與發(fā)生時間等信息，為采取有效容錯控制措施消除故障對系 統(tǒng)的影響提供更充分的依據(jù)。
[0005] 目前研究大多都是針對風力發(fā)電系統(tǒng)單一傳感器或執(zhí)行器故障下的診斷與容錯 控制，隨著自動化水平的不斷提高，風力發(fā)電系統(tǒng)日益趨向于復雜化，故障發(fā)生的情況也復 雜多變，實際系統(tǒng)中單一傳感器或執(zhí)行器故障發(fā)生概率較低，研究具有很大局限性。同時風 力發(fā)電控制系統(tǒng)嚴重地依賴執(zhí)行器，傳感器，W及數(shù)據(jù)查詢接口來確保受控系統(tǒng)與控制裝 置之間有合適的交互。因而執(zhí)行器與傳感器故障往往是同時存在于系統(tǒng)中的，對多故障的 診斷與容錯控制更具有實用價值。因此本文在多故障檢測基礎(chǔ)上，對執(zhí)行器故障與傳感器 故障進行同時重構(gòu)，為系統(tǒng)提供充分的實時故障信息，通過容錯控制技術(shù)降低系統(tǒng)故障率， 減小設(shè)備維修時間，保證系統(tǒng)在故障下仍然能夠在一定指標范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，提高故障下 的風能利用效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對風力發(fā)電系統(tǒng)中的執(zhí)行器與傳感器同時存在的情形，設(shè)計一 種多故障診斷策略及容錯控制方法用于處理多故障下的風力發(fā)電系統(tǒng)，保證系統(tǒng)在故障無 法得到及時維修時系統(tǒng)也能維持滿意的性能指標，實現(xiàn)故障下風能最大捕獲。
[0007] 按照發(fā)明提供的技術(shù)方法，所述的風力發(fā)電系統(tǒng)多故障診斷與容錯控制包括W下 步驟：
[000引第一步:建立風力發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)方程
[0009] 雙饋風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)電過程是將風能轉(zhuǎn)換為機械能，再由機械能轉(zhuǎn)換為電能的 過程，在運個過程中，風輪機捕獲電能的過程是關(guān)鍵，它直接決定了風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效 率。
[0010] 根據(jù)貝茲理論，風輪機產(chǎn)生的機械功率、氣動轉(zhuǎn)矩風能利用系數(shù)及葉尖速比表達 式為
[0011] 似
[001 ^ 閩
[0013]
[0014] (4)
[0015] 式中，Prt為風力機的捕獲功率，Twt為風力機風輪輸出轉(zhuǎn)矩，Cr(A，e)為風力機的 轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cp( A，0)為風能利用系數(shù)，A為風力機的葉尖速比，0為獎距角，R為風力機葉片長 度，P為空氣密度，V為風速，Q 1為風輪角速度。
[0016] 忽略模型中的一些動態(tài)特性，由于電磁時間常數(shù)小于機械時間常數(shù)，在系統(tǒng)建模 時可忽略發(fā)電機的電磁響應的動態(tài)過程，則風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)動態(tài)狀態(tài)方程可表示如下：
[0017]
[001引 ，x(t)GRn為狀態(tài) 向量，U(t) GRm為輸入向量，y(t) GRP為輸出向量，A' GRnXn, BGRnXn, CGRnXn分別為系統(tǒng)矩 陣，Qh為高速軸的轉(zhuǎn)速，Tg為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，為電磁轉(zhuǎn)矩參考值，i為齒輪的變速 比，Tg為電磁時間常數(shù)，Jt為高速軸轉(zhuǎn)慣量。
[0019] 額定風速W下時獎距固定，即：
[0020]
傾
[0021 ]從風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的狀態(tài)方程(5)可知系統(tǒng)的控制輸入為電磁轉(zhuǎn)矩參考值，且系統(tǒng) 矩陣A'中元素All是隨著狀態(tài)變量Q h改變的，所W風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有強的非線性特性。
[0022] 第二步:建立風力發(fā)電系統(tǒng)全局T-S模糊模型
[0023] 對風力發(fā)電系統(tǒng)進行T-S模糊，定義前件模糊變量為zi(t)=v，Z2(t)= Qh(t)，j? 系統(tǒng)（l)中矩陣A可寫成新形式A(zl(t),Z2(t))。取vl《min(v)《max(v)《Vm，Qhl《min (Qh)《max( 〇h)《 Qhm。在區(qū)間[vi,vm]上取m-2個點，并且在區(qū)間[Qhi, Qhm]上也取n-2個 點，則可得到由若干個前件模糊變量值組成的兩個序列：
[0024]
口）
[00 巧]式中，i = l,2，...，m，j = l，2，...，n。
[0026]根據(jù)泰勒公式，得到風轉(zhuǎn)矩變量在(VI，Qhi)處的線性表達式為：
[0027] 憐
[002引
[0029] 將式(8)代入式（5)，并將序列Zi和Z2中元素彼此匹配，代替系統(tǒng)矩陣A(ZiU)，Z2 (t))中的zi(t)和Z2(t)，可得一系列的常值矩陣Aij，i = l，2,…，m，j = l，2,…，n，進一步可 得第i個子系統(tǒng)的局部線性模型為：
[0030] '地）=4雄）+公;"(')，= 巧）
[0031] 定義T-S模糊模型的模糊規(guī)則如下：
[0032] Rule Ri:
[0033] If zi(t)is Miiandzsis Mi2and...Zr(t)is Mir (10)
[0034]
[0035] 式中，Ri為第i條模糊規(guī)則，Z^j = I，2)為前件模糊變量，Mu為模糊子集，i = I， 2,…，r，r為模糊規(guī)則總數(shù)。
[0036] 定義模糊權(quán)值為：
[0037]
仙
[0038] 式中，i = l，2,…，r ,Mu(Z^t))為前件模糊變量zパt)在第i條模糊規(guī)則下對應的 隸屬度函數(shù)，且兩個模糊子集的隸屬度函數(shù)均采用=角函數(shù)，且
。
[0039] 則執(zhí)行器及傳感器下的風力發(fā)電系統(tǒng)T-S模糊模型的全局狀態(tài)方程為：
[0040]
腿）
[0041 ] 式中
，fa表示執(zhí)行器故障，D為執(zhí)行器故障 分配矩陣，f S表示傳感器故障，F(xiàn)為傳感器故障分配矩陣。
[0042] 第S步:風力發(fā)電系統(tǒng)多故障診斷策略
[0043] 風力發(fā)電系統(tǒng)中的傳感器故障W高速軸轉(zhuǎn)速傳感器為例，采用硬件冗余技術(shù)在系 統(tǒng)輸出高速軸轉(zhuǎn)速Q(mào)h信號的位置安裝兩個完全一樣的轉(zhuǎn)速傳感器用于測量高速軸轉(zhuǎn)速， 記為Q h,ml和Q h,m2，i = 1，2。當系統(tǒng)無傳感器故障時，Q h,ml = Q h,m2= Q h;當系統(tǒng)發(fā)生傳感器 故障時，運個信號變?yōu)镼 h,ml = Q h+ A Q h,ml，Q h,m2= Q h+ A Q h,m2。其中，附加的A Q h,ml和A Q h,m2表示轉(zhuǎn)速傳感器I和轉(zhuǎn)速傳感器2可能發(fā)生的故障值。風力發(fā)電系統(tǒng)中的執(zhí)行器故障 可能來源主要有:傳動系統(tǒng)中齒輪箱、軸承中的齒面磨損、疲勞及軸承變形等部分失效;獎 距系統(tǒng)中油液泄露過大、油中空氣含量較高及切斷閥失效等，運些故障可W建模為參數(shù)的 偏差。
[0044] 風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷:可通過比較兩個相同位置同一類型的傳感器之間的測量 值，來實現(xiàn)故障診斷目的。運個兩個信號之間的差異能直接表明故障的發(fā)生，例如，若I Qh,ml -Qh,m2 M在某一時間段內(nèi)不等于0,則說明系統(tǒng)發(fā)生故障。
[0045] 當故障檢測完成后，判斷出系統(tǒng)發(fā)生故障，下一步工作就是找到哪一個傳感器或 執(zhí)行器發(fā)生故障。通過上一章所設(shè)計的T-S模糊滑模觀測器能夠準確得出高速軸轉(zhuǎn)速估計 值^，其在任何傳感器故障發(fā)生前后都非常接近實際值。由于執(zhí)行器故障是系統(tǒng)內(nèi)部故障， 其會導致系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)變化，最終會影響系統(tǒng)的輸出，因此其可W被視為傳感器故障，并且 會導致兩個傳感器的測量值與系統(tǒng)正常輸出值之間有偏差。記
作殘差信號，則系統(tǒng)故障診斷策略具體描述，如表1所示：
[0046] 表1多故障診斷邏輯表
[0047]
[004引第四步:執(zhí)行器與傳感器故障同時重構(gòu)
[0049] 由于風機自動化水平的大幅度提高、系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜、故障類型眾多，并且風力 發(fā)電系統(tǒng)嚴重地依賴執(zhí)行器、傳感及數(shù)據(jù)查詢/接口來確保受控系統(tǒng)與控制裝置之間有合 適的交互，因而傳感器與執(zhí)行器故障同時重構(gòu)更具實用價值及重要意義
[0050] 考慮傳感器故障與執(zhí)行器故障同時存在的系統(tǒng)（12)，假設(shè)系統(tǒng)（12)滿足即 ,-(W地'D.I= Tank(D)及系統(tǒng)的不變零點是穩(wěn)定的。對系統(tǒng)（12)進行如下變換得：
[0051] 用正交矩陣Tr乘W式（12)中的系統(tǒng)輸出矩陣，可將輸出方程分解為不含有傳感器 故障(yi)和含有傳感器故障(y2)的兩個測量方程：
[0052] (13)
[0053] (14)
[0054] 為了實現(xiàn)對兩種故障同時重構(gòu)，采用如下的轉(zhuǎn)換思路，一個有效的方法就是引入 濾波器，定義一組新的狀態(tài)變量z(t)作為含有傳感器故障的輸出y2(t)濾波后的信號，如式 (15)：
[0化5]
(巧)
[0056]式中，Af為一個穩(wěn)定濾波矩陣。
[0化7] S羊古井否n.。而俱
[0058] 腳）
[0化9] (17)
[0060]考慮式(16)、（17)，則風力發(fā)電系統(tǒng)可重新表示為：
[0061 ] 口刮
[0062]
[0063] 式中，
衰示虛擬執(zhí) 行器故障向量，其也是范數(shù)有界的，即fas(t)《ri(x，u，t)巧0，ri〇為一個正常數(shù)，Xa(t) = [x(t )T Z(t)T]T為坐標變換后的系統(tǒng)狀態(tài)變量。
[0064] 通過上述對系統(tǒng)（12)的變換，可看出變換后的新系統(tǒng)（18)、（19)中已經(jīng)不含有傳 感器故障，而是將傳感器故障與執(zhí)行器故障都變?yōu)閳?zhí)行器故障進行處理。因此只需設(shè)計相 應的滑模故障觀測器結(jié)合等價輸出注入理論，可得虛擬故障重構(gòu)值又(0,至此兩種故障fs (t)、fa(t)的同時重構(gòu)問題得W解決。
[0065] 下面簡述風力發(fā)電系統(tǒng)主動容錯控制器的設(shè)計過程：
[0066] T-S模糊滑模觀測器的存在條件：
[0067] (1 )ra址（CaM) =rank(M);
[006引（2)(Aa，M，Ca)的不變零點是穩(wěn)定的。
[0069] 設(shè)計風力發(fā)電系統(tǒng)滑模觀測器的形式如下：
[0070] 巧 0).
[0071] (21)
[0072] 式中，P為修正系數(shù)(增益），由故障幅值所決定。Gi,Gn為魯棒滑模觀測器的待定線 性反饋矩陣和非線性反饋矩陣。為了能夠確保滑模運動而設(shè)計滑?？刂撇呗訴P，即
[0073]
(22)
[0074] 定義狀態(tài)估計誤差為t'=----V,，輸出誤差為^ =妃-.V。。
[00巧]假設(shè)條件1滿思，剛巧在一個線忡巧格隨T，伸得(Aa，M，Ca)變?yōu)槭剑?3)的形式：
[0076]
腳
[0077] 式中，T是一個正交陣，M; = ，M〇是一個滿秩矩陣，
， (Aa22 ,Aa31)是完全可觀測的。
[0078] 通過式（18)-(19)及(20)-(21)可的系統(tǒng)誤差動態(tài)方程為：
[0079](24)
「一五 jT-
[0080] 式中，Aa〇=Aa-GiCa。觀測器矩陣可取為=護',L= [Li 0]。
[0081] 輸出動態(tài)誤差為：
[0082]
解)
[00削當滑模運動到達時今。的=?,,(0 = (>，不連續(xù)項可W表示如下
[0084] Vp = - ( CaGn ) CaAaoe ( t ) "CaMfas ( t ) ) (26)
[0085] 貝 Ij
[0086] e ( t ) = ( I -Gn ( CaGn ) ) Aaoe ( t ) -CaMfas ( t ) (27)
[0087] 式中，
[0088] 為了利用所設(shè)計的滑模觀測器實現(xiàn)執(zhí)行器與傳感器故障同時重構(gòu)，定義線性坐標 變換:Tl : e^eL，3
?則矩陣(Aa，M，Ca)將轉(zhuǎn)變?yōu)槿缦碌男问剑?br>[0089]
(28)
[0090] 式中，AalL = Aal+LAa3，M2L = TM2都是滿秩矩陣，非線性增益矩陣滿足李雅普諾夫方 程，可取GnL= [0 Ip] T
[0091 ]在此坐標變換下，系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出偏差方程為：
[0092] 腳）
[0093] 但0》
[0094] 假設(shè)滑模運動到達點的= MO = O "AalL是穩(wěn)定的，則eai(t)一0。
[00對因此，可得
[0096]
腳
[0097] 則未知故障向量的重構(gòu)值為：
[009引
腳
[0099] 同理利用連續(xù)函數(shù)表示不連續(xù)項：
[0100]
魄).
[0101 ]式中，O為取值較小的標量來保證故障重構(gòu)的精度。
[0102] 運里觀測器的穩(wěn)定性及狀態(tài)在有限時間內(nèi)到達滑模面可通過建立李雅普諾夫函 數(shù)進行證明，觀測器增益矩陣可W通過極點配置發(fā)進行求解。同樣可利用給定的故障重構(gòu) 誤差闊值，對故障重構(gòu)精度進行判斷。第五步:風力發(fā)電系統(tǒng)的容錯控制
[0103] 通過W上的故障重構(gòu)理論，能夠?qū)崟r獲取故障波形、幅值等信息，避免了產(chǎn)生和評 價殘差信號的復雜性。因此利用傳感器故障重構(gòu)值又對傳感器故障輸出信號yf進行校正，貝U 系統(tǒng)輸出校正信號為：
[0104] = (：34)
[0105] 然后利用輸出校正信號yr作為控制器的輸入，保證控制器對系統(tǒng)輸出準確的控制 量U，進而實現(xiàn)傳感器故障下風力發(fā)電系統(tǒng)主動容錯控制。論文所設(shè)計的主動容錯控制策略 無須改變原來系統(tǒng)輸出反饋控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，仍采用系統(tǒng)原先設(shè)計的控制器，利用輸 出校正信號yr對系統(tǒng)進行容錯控制，對故障類型不需要進行預判，突出了主動容錯控制能 夠處理未知故障的能力。此時控制器輸入為
[0106] Uc = ;yf-Ffs (35)
[0107] 式中，Uc= [Qh Tg]t為控制器的輸入。
[0108] 同理對執(zhí)行器故障也可采用類似的容錯控制。
【附圖說明】
[0109] 圖I基于雙饋感應發(fā)電機(DFIG)的風力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
[0110] 圖2隸屬度函數(shù)結(jié)構(gòu)圖
[0111] 圖3風力發(fā)電系統(tǒng)容錯控制結(jié)構(gòu)圖
[0112] 圖4風力發(fā)電系統(tǒng)半實物仿真控制原理圖
[0113] 具體實施方法
[0114] 下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步說明。
[0115] 第一步:建立風力發(fā)電系統(tǒng)的全局模糊模型
[0116] 根據(jù)式(5)所得到的風力發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)方程，利用T-S模糊算法得到風力發(fā)電系 統(tǒng)的全局T-S模糊模型如式(8)所示。
[0117] 第二步:風力發(fā)電系統(tǒng)多故障診斷與重構(gòu)策略
[0118] 通過對執(zhí)行器故障與傳感器故障特點分析，執(zhí)行器故障是系統(tǒng)內(nèi)部故障，其會導 致系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)變化，最終會影響系統(tǒng)的輸出，因此其可W被視為傳感器故障，通過傳感器 硬件冗余技術(shù)結(jié)合滑模觀測器理論，建立邏輯殘差表，實現(xiàn)多故障診斷。
[0119] 其次通過引入一個簡單的濾波器，將傳感器故障轉(zhuǎn)化為執(zhí)行器故障，建立一個由 原有的執(zhí)行器故障和傳感器故障組成的虛擬執(zhí)行器故障，通過對虛擬執(zhí)行器故障的重構(gòu)來 實現(xiàn)兩種故障同時重構(gòu)。
[0120] 第S步:風力發(fā)電系統(tǒng)的容錯控制
[0121] 通過W上的故障重構(gòu)理論，能夠?qū)崟r獲取故障波形、幅值等信息，避免了產(chǎn)生和評 價殘差信號的復雜性。因此利用傳感器故障重構(gòu)值義對傳感器故障輸出信號yf進行校正，貝U 系統(tǒng)輸出校正信號為：
[0122] = (：34)
[0123] 然后利用輸出校正信號yr作為控制器的輸入，保證控制器對系統(tǒng)輸出準確的控制 量U，進而實現(xiàn)傳感器故障下風力發(fā)電系統(tǒng)主動容錯控制。論文所設(shè)計的主動容錯控制策略 無須改變原來系統(tǒng)輸出反饋控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，仍采用系統(tǒng)原先設(shè)計的控制器，利用輸 出校正信號yr對系統(tǒng)進行容錯控制，對故障類型不需要進行預判，突出了主動容錯控制能 夠處理未知故障的能力。此時控制器輸入為
[0124] Uc=^-Ffs (35)
[012引式中，Uc=[Qh Tg]t為控制器的輸入。
[01%]同理對執(zhí)行器故障也可采用類似的容錯控制。
[0127] 第四步將上述所述的多故障的風力發(fā)電系統(tǒng)診斷與容錯控制模塊在半實物仿真 器件AD5436上實現(xiàn)。其輸入為風力機的風速信號對應的數(shù)字量信號，輸出為轉(zhuǎn)速信號和電 磁轉(zhuǎn)矩信號用于對風力發(fā)電系統(tǒng)進行閉環(huán)反饋控制。PC機通過W太網(wǎng)與AD5436連接，通過 AD/DA變換器將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。當風速變量傳至齒輪箱時，傳動鏈帶動電機轉(zhuǎn)動，通 過AC-AC變換，送至電網(wǎng)。
[0128] 本發(fā)明用于并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)中，如圖所示。主要模塊有風力機，齒輪箱，雙饋 感應發(fā)電機，電力電子變換器，電容，變壓器及電網(wǎng)等。將仿真軟件Matlab中所搭建的故障 診斷與容錯控制的模型拷入半實物仿真工具箱中，結(jié)合相關(guān)電力電子部分設(shè)計，進行半實 物仿真，利用半實物仿真箱所得的容錯控制后的性能參數(shù)風能利用系數(shù)與葉尖速比的波形 圖，與故障下的情形進行對比，驗證本發(fā)明所設(shè)計的容錯控制器的有效性。
[0129]當風機運行過程中，本發(fā)明所設(shè)及的故障診斷單元能夠?qū)崟r在線獲精確的故障信 息，對風力發(fā)電系統(tǒng)的故障進行補償，并不改變整個風電系統(tǒng)及控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，因此 控制器設(shè)計簡單方便。當故障出現(xiàn)后，由利用所設(shè)計的主動容錯控制器，整個系統(tǒng)仍然能夠 維持與原定性能指標相近水平，并且穩(wěn)定運行，完成相應的控制任務。
【主權(quán)項】
1.風力發(fā)電系統(tǒng)多故障診斷與容錯控制，其特征是： 提出風力發(fā)電系統(tǒng)多故障診斷策略； 傳感器故障以高速軸轉(zhuǎn)速傳感器為例，采用硬件冗余技術(shù)在系統(tǒng)輸出高速軸轉(zhuǎn)速Ω以言 號的位置安裝兩個完全一樣的轉(zhuǎn)速傳感器用于測量高速軸轉(zhuǎn)速，記為Ω h,mjP Ω h,m2，i = 1， 2;當系統(tǒng)無傳感器故障時，Qh,ml= Qh,m2= Qh;當系統(tǒng)發(fā)生傳感器故障時，信號為Qh,ml = Qh+A Qh,ml，Qh,m2= Qh+A Qh,m2;附加的Δ Ω_#ΡΔ 0^2表示轉(zhuǎn)速傳感器1和轉(zhuǎn)速傳感 器2可能發(fā)生的故障值； 通過比較兩個相同位置同一類型的傳感器之間的測量值，實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷 目的；這個兩個信號之間的差異能直接表明故障的發(fā)生，若I I Qh,ml-Qh,m2| I在某一時間段 內(nèi)不等于〇，則說明系統(tǒng)發(fā)生故障；T-S模糊滑模觀測器能夠準確得出高速軸轉(zhuǎn)速估計值Λ，其在任何傳感器故障發(fā)生前 后都非常接近實際值;執(zhí)行AS致系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)變化，影響系統(tǒng) 的輸出，可視為傳感器故障 乍殘差信號，系統(tǒng)故障診斷策略 具體描述如表1所示： 表1多故障診斷邏輯表對執(zhí)行器與傳感器故障進行同時重構(gòu)； 考慮傳感器故障與執(zhí)行器故障同時存在的系統(tǒng)（12)，假設(shè)系統(tǒng)（12)滿足 …nk( D>及系統(tǒng)的不變零點是穩(wěn)定的；用正交矩陣Tr乘以式（12)中的系統(tǒng)輸出矩 陣，可得式(13)與式(14):(13) (14) 引入濾波器，定義一組新的狀態(tài)變量z(t)作為含有傳感器故障的輸出y2(t)濾波后的信 號，如式(15):(15) (16) (1?) 考慮式(16)、（ 17)，則風力發(fā)電系統(tǒng)可重新表示為： Xa ) = (0 + SlOii) + Was (?) (18) ya(t) =CaXa(t) (19)表示虛擬 執(zhí)行器故障向量，其是范數(shù)有界的，即fas(t)彡n(x，u，t)+ri()，ri()為一個正常數(shù)，xa(t) = [x(t )Tz(t)T]T為坐標變換后的系統(tǒng)狀態(tài)變量； 通過上述對系統(tǒng)（12)的變換后，新系統(tǒng)（18)、（19)中已不含有傳感器故障，而是將傳感 器故障與執(zhí)行器故障都變?yōu)閳?zhí)行器故障進行處理。設(shè)計相應的滑模故障觀測器結(jié)合等價輸 出注入理論，可得虛擬故障重構(gòu)值又(/)，解決兩種故障f s(t)、fa⑴的同時重構(gòu)問題； 下面簡述風力發(fā)電系統(tǒng)主動容錯控制器的設(shè)計過程： T-S模糊滑模觀測器的存在條件： (I )rank(CaM) =rank(M)； (2) (Aa，M，Ca)的不變零點是穩(wěn)定的； 設(shè)計風力發(fā)電系統(tǒng)滑模觀測器的形式如下：(20) (21) 式中，P為修正系數(shù)(增益），由故障幅值所決定;G1,Gn為魯棒滑模觀測器的待定線性反 饋矩陣和非線性反饋矩陣。為了能夠確?；＿\動而設(shè)計滑?？刂撇呗訴P，即(22) 定義狀態(tài)估計誤差為-^，輸出誤差為心=九_)，《; 假設(shè)備件1滿足，存在一個線件奪換陣T,伸得(Aa.M. Ca)奪為式（23)的形式：(Aa22 ,Aa31)是完全可觀測的；通過式（18)-(19)及(20)-(21)可的系統(tǒng)誤差動態(tài)方程為：(24) (25)當滑模為了利用所設(shè)計的滑模觀測器實現(xiàn)執(zhí)行器與傳感器故障同時重構(gòu)，定義線性坐標變 換·則矩陣(Aa，M，Ca)將轉(zhuǎn)變?yōu)槿缦碌男问剑?28)式中，AalL = Aal+LAa3 ,M2l = TM2都是滿秩矩陣，非線性增益矩陣滿足李雅普諾夫方程，取在此坐標變換下，系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出偏差方程為： (29) (30) 假設(shè)滑模運動到達，夂⑴=L W = G ;AalL是穩(wěn)定的，則eal( t)-0; 因此，可得(D 則未知故障向量的重構(gòu)倌為：(32) 同理利用連續(xù)函數(shù)表示不連續(xù)項：(33) 式中，σ為取值較小的標量來保證故障重構(gòu)的精度。
【文檔編號】F03D17/00GK106014877SQ201610363219
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】沈艷霞, 王旭, 楊雄飛
【申請人】江南大學