直驱永磁同步风力发电机控制系统传感器故障估计与补偿

摘要

面对日益加剧的能源安全和环境污染问题，风能以永续利用、可再生和零排放等特点，近年来在新能源发电的占比快速增加。其中，永磁直驱风电机组以高效率转换、全功率可控和无齿轮传动等优势，装机容量和装机规模稳步增长。然而，风能资源间歇特性、高功率密度和复杂电磁干扰导致控制系统设备和器件高故障率。根据风力发电厂运行统计数据，直驱风电机组中控制系统故障率和故障停机率均高于其他设备如风力机等。　　传感器故障是永磁同步风力发电控制系统的常见故障，其导致测量输出与系统真实状态出现偏差，并通过控制回路将故障引入控制器。在控制回路传播过程中，传感器故障因反馈控制被消除部分跟踪误差，故障特征微弱；传感器故障在回路传播导致系统产生复合故障、乃至引发二次故障，轻则引发波形畸变降低电能质量，重则导致机组骤然脱网，危及电网运行安全和稳定。因此，研究永磁同步电机控制系统传感器故障诊断、定位和容错控制方法，对保证风电机组持续稳定运行具有重要意义。鉴于传感器故障在控制回路的传播特性，本文研究基于故障估计的多传感故障诊断与容错补偿方法。综合利用控制系统输入和测量输出，消除控制器输出对观测器中故障检测残差和故障估计的影响，解决传感器故障在控制回路中传播的难题。论文的主要研究内容如下：　　为解决对称三相电流矢量和为零和导致多传感器故障估计问题，通过引入转速转矩方程建立在两相静止参考坐标下的增广系统模型。针对引入转子转速和位置导致的模型非线性问题，以永磁同步发电机转子位置测量为增益调度参数，应用凸多面体建模方法建立线性参数变化系统。通过分析电流和转速传感器增益变化、输出卡死和直流偏置等故障，分别研究基于相电流传感器故障估计和基于扩展反电动势估计的转速传感器故障估计方法。分析控制回路对传感器故障传播特性和偏差消除效应，总结基于传统观测器的多传感器故障诊断算法难点问题。　　针对永磁同步风力发电机相电流多传感器故障定位问题，基于三相电流测量和两相电流测量控制模式，分别设计鲁棒故障估计方法，实现三相电流传感器故障定位和两相运行下的电流和转速传感器多故障在线定位。通过引入永磁同步发电机转速转矩方程增广系统模型，解决三相电流传感器故障估计难的问题。设计基于公共Lyapunov函数法和有界实引理的故障检测和故障估计观测器，应用LMI技术求解参数依赖观测器增益矩阵。在三相电流测量控制模式下，设计的多传感器故障诊断算法，实现abc三相电流传感器故障在线定位。设计两相电流测量运行下的多传感器故障估计方法，实现a相、b相和转速传感器多故障同时估计。　　针对转速和电流多传感器故障同时估计问题，引入永磁同步风力发电转矩转速方程，建立两相静止参考坐标下多传感器故障估计观测器，解耦dq参考坐标下模型中转速和相电流非线性乘积项。设计机械转矩和传感器故障估计的参数依赖观测器，实现转子转速和电流传感器故障的同时估计。应用线性时变系统有界实引理设计观测器在凸多面体各顶点的增益，通过永磁电机转子位置测量实时计算增益调度观测器。设计的控制系统故障补偿策略，在不改变主控制器结构的基础上实现多传感器故障补偿。该方法能够同时估计 PMSG 控制系统机械转矩、转速传感器故障和电流传感器故障，在线补偿机械量传感器和电流传感器故障。　　为增强故障估计观测器的适用性和应用性，提出一种无转子位置测量的多电流传感器故障估计与补偿方法，解决两相静止参考坐标下的 PMSG 系统模型调度依赖精确转子位置测量的问题。应用发电机转速转矩方程和观测器中转子转速估计计算转子位置估计，代替系统模型中的位置测量，将包含转子位置估计误差的系统模型转换为线性参数不确定模型。以转子位置估计作为观测器增益调度参数，研究基于不确定调度参数的多传感器故障估计方法。设计的增益调度观测器，能够同时估计多电流传感器故障和风力机机械转矩，适用于机械转矩随风力机捕获风能变化场景下的控制系统多传感器故障补偿。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 永磁直驱机组控制系统传感器故障综述

1.2.1 永磁直驱风电控制系统构成

1.2.2 控制系统传感器故障综述

1.3 电力电子控制系统传感器故障诊断与容错控制

1.3.1 传感器故障诊断综述

1.3.2 传感器故障容错控制综述

1.4 风电机组控制系统传感器故障诊断与容错控制

1.4.1 传感器故障诊断综述

1.4.2 传感器故障容错控制综述

1.5 直驱机组控制系统传感器故障诊断难点问题

1.6 论文主要研究工作与结构安排

1.6.1 主要研究工作

1.6.2 论文结构安排

2 PMSG控制系统建模与传感器故障分析

2.1 引言

2.2 PMSG控制系统模型构建

2.2.1 风机数学模型

2.2.2 永磁同步发电机数学模型

2.2.3 多传感器故障建模

2.2.4 SPMSG非线性模型分解

2.3 基于传统模型的传感器故障估计

2.3.1 电流传感器故障估计

2.3.2 转子转速传感器故障估计

2.4 故障估计仿真

2.4.1 控制器参数设计

2.4.2 无故障运行仿真

2.4.3 传感器时域特征分析

2.4.4 传感器故障估计仿真

2.4.5 多传感器故障估计难点

2.5 本章小结

3 PMSG控制系统多传感器故障在线定位

3.1 引言

3.2 PMSG传感器多故障检测

3.2.1 增益调度观测器设计

3.2.2 故障检测观测器设计

3.2.3 电流传感器故障检测

3.3 多传感器故障同时定位

3.3.1 三相电流传感器多故障定位

3.3.2 两相电流测量运行下多传感器故障定位

3.4 仿真分析

3.4.1 三相电流传感器多故障定位

3.4.2 两相测量运行多传感器故障定位

3.4.3 故障诊断算法对比

3.5 本章小结

4 PMSG转速和电流多传感器故障估计与补偿

4.1 引言

4.2 参数依赖故障估计观测器设计

4.2.1 问题描述

4.2.2 故障估计观测器设计

4.3 多传感器故障检测与补偿

4.3.1 多传感器故障检测

4.3.2 传感器故障补偿

4.4 仿真验证

4.4.1 传感器故障估计

4.4.2 传感器故障补偿运行

4.4.3 传感器故障容错控制方法对比

4.5 本章小结

5 无位置测量下PMSG电流传感器故障估计与补偿

5.1 引言

5.2 无位置测量观测器设计问题描述

5.3 传感器故障估计与补偿方法设计

5.3.1 扰动和故障估计观测器设计

5.3.2 转子位置估计

5.3.3 电流传感器故障补偿

5.4 仿真验证

5.4.1 单电流传感器故障估计与补偿

5.4.2 多电流传感器故障估计与补偿

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文研究工作总结

6.2 后续研究工作展望

参考文献

附录

A.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读博士学位期间申请专利列表

C.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

D.学位论文数据集

致谢