風力發電機抗干擾容錯控制探討

劉 立

（湘潭電機股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

0 引言

隨著我國新能源技術的發展，水能、風能、地熱能等逐漸得到了廣泛應用，尤其是風能憑借著分布廣、易獲取等優勢，發展十分迅速。目前，風力發電機多安裝在偏遠地區，運行環境惡劣，同時基于風電機組自身工作的復雜性，其運行受到諸多因素的干擾，加強抗干擾容錯控制技術研究具有重要意義。

1 容錯控制技術概述

容錯控制，簡稱FTC，早期應用于計算機領域，解釋為容忍故障。現代容錯控制技術的發展主要分為兩個方向：主動容錯控制、被動容錯控制。近年來，我國在此方面的研究日益深入，其可有效提高設備運行安全性、可靠性，對于油化工、核電站、風電場、航空航天等領域發展具有重要意義。

從基礎理論角度來看，容錯控制是基于現代控制、信號處理、統計數學等理論發展起來，其研究重點在于故障診斷、容錯設計，前者檢驗系統工作是否正常，后者是在系統被干擾或是故障后采取有效控制策略、變更系統運行方式等方法，確保系統運行安全，防止引發嚴重事故。本文基于新能源發展背景下，圍繞風力發電領域中抗干擾容錯控制技術的應用展開分析，有效減小風速隨機性、不確定性以及周邊惡劣環境對風力發電的影響，保證電能質量[1-2]。

2 風力發電機抗干擾容錯控制要求

2.1 風力發電機基本結構

風力發電機組成部分包括風能轉換、傳動、變槳距、發電機系統，具體結構如圖1 所示。其中，ωt為風機轉子轉速；Tt為空氣動力轉矩；ωg為發電機轉速；Tg為發電機電磁轉矩；Pg為系統輸出功率；β為槳距角；βd為參考槳距角。

圖1 風力發電結構框圖

根據圖1 可知，風力發電整個系統結構復雜，同時存在諸多干擾因素，如何保證系統安全可靠運行是一個重要課題。

2.2 抗干擾容錯控制要求

風力發電機運行中，主要干擾因素包括：機側風速、隨機噪聲、機械振動、機械磨損、網側電磁及諧波等。同時，機組機械、電氣故障的發生，也會導致風力發電系統正常運行受到影響，電能質量不合格，引發電網電壓波動、產生諧波等問題。由此，在風力發電技術發展中抗干擾容錯控制研究具有重要意義，具體要求如下：

（1）通過抗干擾容錯控制系統的應用，提高機組控制系統精度，保證輸出功率平滑性，持續輸出優質電能，確保并網運行安全；

（2）通過抗干擾容錯控制系統的應用，減少機組維修成本，防止出現災難性事故，或者是早期故障惡化；

（3）通過抗干擾容錯控制系統的應用，實現風電機組運行經濟、社會效益的最大化，逐步實現風能的大規模推廣。

3 實例探析風力發電機抗干擾容錯控制設計

本文以前端調速式風電機組抗干擾容錯控制設計為例展開分析，具體如下。

3.1 風電機組基本情況

本次研究對象為前端調速式風電機組，采用的是無刷電勵磁同步發電機，選用三級無刷勵磁系統，有效避免了電刷使用容易產生的發熱、接觸不良等故障，發電機運行更為安全、可靠。

風力發電機運行環境復雜，受到諸多外界、本身干擾因素影響，有效的干擾抑制、容錯控制將有效提高發電機系統運行穩定性，保證風力電能質量。本研究在考慮多源干擾、傳感器故障的基礎上開展容錯控制系統設計，保證發電機運行安全、穩定[3]。

3.2 風力機組抗干擾容錯控制設計

3.2.1 抗干擾容錯控制系統結構

本項目抗干擾容錯控制系統結構如圖2 所示，采用干擾觀測器、故障診斷觀測器估計發電機干擾與故障情況，以魯棒容錯控制器進行干擾與故障補償，保證系統運行穩定，輸出的電能質量滿足要求。

圖2 抗干擾容錯控制系統結構示意圖

3.2.2 抗干擾容錯控制系統仿真分析

假設傳感器在10 s 發生故障，圖3（a）為階躍故障時干擾系統故障估計，圖3（b）則是故障估計誤差。

圖3 階躍故障

根據圖3 可知，在多源干擾下，發電機組設計使用的故障診斷觀測器準確的估計了傳感器故障；階躍故障時，發電機在不同狀態下的相應曲線如圖4 所示，分析可得故障情況下系統初始狀態出現較大變化，但最終趨于穩定，系統整體運行可靠，驗證了此抗干擾容錯系統應用有效性。

圖4 發電機各狀態響應曲線

4 結論

基于風速隨機性、機組自身復雜性的影響，風力發電機運行存在干擾因素多、故障率高的情況。根據發電機運行安全性要求，必須要設置抗干擾容錯控制系統，確保風電機在多源干擾、故障的影響下，依舊穩定運行。這能防止引發大規模事故，并為風電能源的推廣應用奠定堅實基礎。