風(fēng)電機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速傳感器的容錯(cuò)保護(hù)方法

曾一鳴，張 坤，寧 琨，沈 菲

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量的多少與其運(yùn)行時(shí)間直接相關(guān)，因而保證風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行對(duì)于提升風(fēng)電經(jīng)濟(jì)效益起著至關(guān)重要的作用。但因風(fēng)場(chǎng)多變的風(fēng)速或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身故障，將導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速發(fā)生突變。若不能及時(shí)獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行處理的話，將造成十分嚴(yán)重的后果。為了保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，需要獲取實(shí)時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉輪轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)。

1 研究現(xiàn)狀

目前，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速保護(hù)仍然基于傳感器對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，但對(duì)傳感器本身的故障未具備容錯(cuò)機(jī)制，機(jī)組多個(gè)傳感器出現(xiàn)測(cè)量不一致的情況只能采取停機(jī)保護(hù)。王新亮等進(jìn)行了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量故障的分析，提出了對(duì)各傳感器故障的判斷方法[1]。王慶龍等利用雙饋電機(jī)的電流特性，提出了對(duì)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的一種計(jì)算方法[2]。陳明亮等對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，提出了不依賴傳感器快速得到轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息并應(yīng)用于控制的方法[3]。

綜合以上研究現(xiàn)狀可知，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制及安全保護(hù)減少對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的依賴，在多個(gè)轉(zhuǎn)速來(lái)源至少有一個(gè)校驗(yàn)可信時(shí)，可繼續(xù)保持機(jī)組安全運(yùn)行，減少停機(jī)，因此，冗余一種獲取實(shí)時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行安全保護(hù)的方法就顯得十分必要。

2 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器容錯(cuò)方法

2.1 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量

直驅(qū)機(jī)組轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)至少包括編碼器轉(zhuǎn)速和變流器轉(zhuǎn)速，其中，編碼器轉(zhuǎn)速采取快速測(cè)量角度變化的方式，利用機(jī)組主控系統(tǒng)10 ms運(yùn)算周期，獲取每個(gè)時(shí)間片角度變化，得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，編碼器轉(zhuǎn)速測(cè)量容易受到信號(hào)干擾發(fā)生跳變，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速測(cè)量出現(xiàn)誤差，編碼器的硬件損壞則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速測(cè)量失效；變流器轉(zhuǎn)速由變流器對(duì)發(fā)電機(jī)電流進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)額定轉(zhuǎn)差與當(dāng)前輸出頻率，估算當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，估計(jì)值精度會(huì)更多受到負(fù)載的影響，無(wú)傳感器矢量控制時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速是根據(jù)額定轉(zhuǎn)差與估算電機(jī)模型及電流進(jìn)行檢測(cè)，精度較vf控制要好于傳感器的矢量控制時(shí)，該參數(shù)是通過(guò)編碼器的反饋實(shí)時(shí)計(jì)算，其中的誤差是編碼器的精度和分辨率，另外還有由于濾波所產(chǎn)生的滯后。

雙饋機(jī)組轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)包括主軸轉(zhuǎn)速、齒輪箱轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和變流器轉(zhuǎn)速。其原理與直驅(qū)機(jī)組基本一致，但有了更多的轉(zhuǎn)速傳感器冗余，從理論上說(shuō)容錯(cuò)能力更為增強(qiáng)。

2.2 葉根扭矩

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，要從自然界獲取風(fēng)能，需要葉輪葉片的參與。風(fēng)電機(jī)組葉片(見圖1)采用升力體結(jié)構(gòu)原理制造，空氣在翼型的曲面產(chǎn)生的壓力較小，在另一面產(chǎn)生的壓力較大，2個(gè)力合成后即為垂直于空氣流動(dòng)方向的升力。葉片與輪轂的連接通過(guò)軸承實(shí)現(xiàn)，葉片攻角可以在一定范圍內(nèi)變化，即變槳距控制。變槳距葉片可以改變角度以保證風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)風(fēng)速下很快達(dá)到額定功率，超過(guò)設(shè)計(jì)風(fēng)速后，整個(gè)葉片繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，減小攻角并降低升力，使輸出功率仍保持相對(duì)穩(wěn)定。服役過(guò)程中，先使葉片順槳，減少機(jī)組結(jié)構(gòu)受力，即可使風(fēng)機(jī)安全停機(jī)。

圖1 葉片截面示意圖

葉片的角度轉(zhuǎn)動(dòng)由變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)，葉片的角度保持也須由變槳電機(jī)提供阻力，通過(guò)對(duì)變槳電機(jī)輸出扭矩值變化的測(cè)量，獲得的這個(gè)數(shù)值即為葉根扭矩。

在葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，受葉片重力影響，葉根扭矩值隨轉(zhuǎn)速變化呈現(xiàn)周期性規(guī)律，根據(jù)某機(jī)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其3個(gè)槳葉軸承處葉根扭矩與葉輪轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖2所示。

圖2 葉根扭矩波形圖

2.3 葉輪轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法

從風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，葉根扭矩?cái)?shù)據(jù)除了具備與轉(zhuǎn)速有強(qiáng)相關(guān)的周期性波動(dòng)外，受外界風(fēng)力影響及葉片振動(dòng)影響，在波形上疊加了不同的直流分量及高頻振動(dòng)，因此首先需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波。

y(t)=K×u(t)+(1-K)×y(t-1)=y(t-1)+K×[u(t)-y(t-1)]

(1)

K=dT/T

(2)

式(1)和式(2)中，K一般介于0和1之間，dT是運(yùn)行步長(zhǎng)，T是時(shí)間常數(shù)；u是輸入信號(hào)；y是輸出信號(hào)。

考慮在系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時(shí)，需要把輸入的初始值作為濾波器的計(jì)算起始點(diǎn)，實(shí)際搭建的濾波器模型如圖3所示。

圖3 低通濾波器模型圖

圖4 葉片1葉根扭矩濾波前

圖5 葉片1葉根扭矩濾波后

從圖4和圖5可以明顯看出，經(jīng)過(guò)濾波處理后的波形圖，數(shù)據(jù)特征十分明顯。

濾波后的葉根扭矩?cái)?shù)據(jù)，可近似為與轉(zhuǎn)速同頻的變頻信號(hào)，因風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在不停波動(dòng)，因此對(duì)其做常規(guī)頻譜分析并不能提取當(dāng)前的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信息，而希爾伯特變換正適用于此類場(chǎng)景。

希爾伯特變換也是傅里葉變換的一種擴(kuò)展，它常常用于通信系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)，當(dāng)然它也可以用于信號(hào)的時(shí)頻分析。其計(jì)算方法為：

計(jì)算輸入信號(hào)的FFT，保存為向量F。創(chuàng)建一個(gè)向量h，其中：

(3)

計(jì)算F與h的內(nèi)積，計(jì)算上步得到的序列的iFFT。

在時(shí)頻分析領(lǐng)域，希爾伯特變換主要用于瞬時(shí)頻率估計(jì)，若信號(hào)為單頻率成分信號(hào)，即同一時(shí)刻只有一個(gè)頻率分量的信號(hào)。可以由Hilbert譜很好地觀察出信號(hào)的時(shí)頻特征，且有很高的時(shí)間分辨率。

假設(shè)解析信號(hào)為z(t) ：

z(t)=c(t)+jy(t)=aejθ(t)

(4)

其中:

(5)

(6)

(7)

式(5)即表示信號(hào)瞬時(shí)幅值，式(6)表示信號(hào)瞬時(shí)相位，式(7)表示信號(hào)瞬時(shí)頻率。聯(lián)立式(4)-(7)，可將信號(hào)瞬時(shí)狀態(tài)x(t)表示為：

(8)

使用|a(t)|2表示瞬時(shí)能量，在時(shí)間-頻率面上畫出信號(hào)的瞬時(shí)能量分布，這個(gè)分布譜圖就是希爾伯特譜(Hilbert)，如見圖6所示，記為H(ω，t) 。

圖6 希爾伯特譜圖示

2.4 轉(zhuǎn)速容錯(cuò)保護(hù)邏輯

2.4.1 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

直驅(qū)機(jī)組轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)至少包括編碼器轉(zhuǎn)速和變流器轉(zhuǎn)速。當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不一致的故障時(shí)，用虛擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)速校對(duì)出可用傳感器轉(zhuǎn)速，以此作為風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制的參數(shù)。

1)轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)方式。通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算每50 ms向主控發(fā)送一次虛擬轉(zhuǎn)速，主控收到虛擬轉(zhuǎn)速后實(shí)時(shí)校對(duì)其他傳感器轉(zhuǎn)速；虛擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與變流器轉(zhuǎn)速平均值校對(duì)，若匹配(由主控判斷，建議偏差小于變流器轉(zhuǎn)速×4%匹配)，則變流器轉(zhuǎn)速有效；計(jì)算虛擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與編碼器轉(zhuǎn)速平均值的偏差，若匹配(由主控判斷，建議偏差小于編碼器轉(zhuǎn)速×4%)，則編碼器轉(zhuǎn)速有效。

2)主控進(jìn)入容差運(yùn)行邏輯及容差運(yùn)行方式。邏輯：主控啟用轉(zhuǎn)速傳感器容差功能，且收到有效的虛擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)速值，當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器失效(轉(zhuǎn)速不一致，由主控判斷)，啟用虛擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)出有效傳感器轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)入容差運(yùn)行。

2.4.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

雙饋機(jī)組轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)包括主軸轉(zhuǎn)速、齒輪箱轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和變流器轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速不一致故障或轉(zhuǎn)速傳感器失效時(shí)，只要保證傳動(dòng)鏈前后端轉(zhuǎn)速匹配，則可用虛擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)速校對(duì)出可用傳感器轉(zhuǎn)速，以此作為風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制參數(shù)。

1)轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)方式。通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算每隔50 ms向主控發(fā)送一次虛擬轉(zhuǎn)速，主控收到虛擬轉(zhuǎn)速后實(shí)時(shí)校對(duì)其他傳感器轉(zhuǎn)速；虛擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與各轉(zhuǎn)速校對(duì)，若匹配(由主控判斷，建議乘以齒輪箱速比后偏差小于30 rpm)，則對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速有效。

2)主控進(jìn)入容差運(yùn)行邏輯及容差運(yùn)行方式。邏輯：主控啟用轉(zhuǎn)速傳感器容差功能，且收到有效的虛擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)速值，當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器失效或轉(zhuǎn)速不一致(由主控判斷)，啟用虛擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和其他傳感器轉(zhuǎn)速一起進(jìn)行校對(duì)，判斷傳動(dòng)鏈?zhǔn)欠癞惓?。若傳?dòng)鏈前后端轉(zhuǎn)速匹配，則識(shí)別出有效傳感器轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)入容差運(yùn)行。

3 風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速計(jì)算實(shí)例

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源說(shuō)明

某風(fēng)電場(chǎng)位于山地，風(fēng)況變化較大，轉(zhuǎn)速存在較為明顯波動(dòng)，因此更容易測(cè)試出計(jì)算方法的可靠性。

輸入條件：①某機(jī)組葉尖最高點(diǎn)距地面136 m，葉輪掃風(fēng)直徑116 m。②機(jī)組3片葉片葉根扭矩以10 ms為間隔的采樣數(shù)據(jù)。③機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以10 ms為間隔的采樣數(shù)據(jù)。

由于數(shù)據(jù)頻率較高，因此為了繪圖及對(duì)比明顯，對(duì)計(jì)算轉(zhuǎn)速值及真實(shí)轉(zhuǎn)速值進(jìn)行了1 000:1的抽樣處理如圖7所示。

圖7 抽樣測(cè)量葉輪轉(zhuǎn)速和計(jì)算葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)比圖

3.2 實(shí)驗(yàn)案例計(jì)算結(jié)果

從圖8及圖9可以看出:對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速的擬合計(jì)算，其最大誤差在1.5%～2%，這個(gè)誤差率已經(jīng)可以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)容錯(cuò)保護(hù)所需?？紤]安全因素，當(dāng)進(jìn)入降容運(yùn)行時(shí)，考慮某個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速時(shí)可根據(jù)3只葉片的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行綜合考慮；但若發(fā)現(xiàn)某次計(jì)算轉(zhuǎn)速誤差過(guò)大，且超過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)定的額定轉(zhuǎn)速92%，就需要進(jìn)行停機(jī)操作。

圖8 抽樣測(cè)量葉輪轉(zhuǎn)速和計(jì)算葉輪轉(zhuǎn)速的誤差分布

圖9 取較長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)的誤差分布

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，離不開對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速的有效測(cè)量與應(yīng)用。通過(guò)對(duì)葉輪轉(zhuǎn)速的擬合計(jì)算，可利用葉根扭矩信號(hào)計(jì)算實(shí)時(shí)葉輪轉(zhuǎn)速，并對(duì)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行容錯(cuò)校驗(yàn)。對(duì)此方法的推廣應(yīng)用，可在不增加更多額外轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器的前提下，盡量減少傳感器失效對(duì)機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)的影響，可以有效減少機(jī)組停機(jī)以及停機(jī)帶來(lái)的電量損失，并保證機(jī)組安全運(yùn)行。