風電機組葉輪轉速傳感器的容錯保護方法

曾一鳴，張 坤，寧 琨，沈 菲

(東方電氣風電有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

風力發電機組發電量的多少與其運行時間直接相關，因而保證風電機組的正常運行對于提升風電經濟效益起著至關重要的作用。但因風場多變的風速或者風力發電機組自身故障，將導致風力發電機組葉輪轉速發生突變。若不能及時獲得風力發電機組葉輪轉速數據，對風力發電機組進行處理的話，將造成十分嚴重的后果。為了保障風力發電機組的安全運行，需要獲取實時風力發電機組的葉輪轉速數據，對風力發電機組安全進行實時保護。

1 研究現狀

目前，對風力發電機組的轉速保護仍然基于傳感器對轉速的測量，但對傳感器本身的故障未具備容錯機制，機組多個傳感器出現測量不一致的情況只能采取停機保護。王新亮等進行了風機轉速測量故障的分析，提出了對各傳感器故障的判斷方法[1]。王慶龍等利用雙饋電機的電流特性，提出了對雙饋電機轉子轉速的一種計算方法[2]。陳明亮等對永磁直驅風力發電機的數學模型進行分析，提出了不依賴傳感器快速得到轉子位置和轉速信息并應用于控制的方法[3]。

綜合以上研究現狀可知，使風力發電機組的控制及安全保護減少對傳感器數據的依賴，在多個轉速來源至少有一個校驗可信時，可繼續保持機組安全運行，減少停機，因此，冗余一種獲取實時風力發電機組葉輪轉速數據，對大型風力發電機組進行安全保護的方法就顯得十分必要。

2 風機轉速傳感器容錯方法

2.1 風機轉速的測量

直驅機組轉速監測至少包括編碼器轉速和變流器轉速，其中，編碼器轉速采取快速測量角度變化的方式，利用機組主控系統10 ms運算周期，獲取每個時間片角度變化，得到瞬時轉速，編碼器轉速測量容易受到信號干擾發生跳變，從而導致轉速測量出現誤差，編碼器的硬件損壞則會導致轉速測量失效；變流器轉速由變流器對發電機電流進行測量，根據額定轉差與當前輸出頻率，估算當前的轉速，估計值精度會更多受到負載的影響，無傳感器矢量控制時，實際轉速是根據額定轉差與估算電機模型及電流進行檢測，精度較vf控制要好于傳感器的矢量控制時，該參數是通過編碼器的反饋實時計算，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生的滯后。

雙饋機組轉速監測包括主軸轉速、齒輪箱轉速、發電機轉速和變流器轉速。其原理與直驅機組基本一致，但有了更多的轉速傳感器冗余，從理論上說容錯能力更為增強。

2.2 葉根扭矩

風力發電機組由風驅動葉輪轉動發電，要從自然界獲取風能，需要葉輪葉片的參與。風電機組葉片(見圖1)采用升力體結構原理制造，空氣在翼型的曲面產生的壓力較小，在另一面產生的壓力較大，2個力合成后即為垂直于空氣流動方向的升力。葉片與輪轂的連接通過軸承實現，葉片攻角可以在一定范圍內變化，即變槳距控制。變槳距葉片可以改變角度以保證風機在設計風速下很快達到額定功率，超過設計風速后，整個葉片繞葉片中心軸旋轉，減小攻角并降低升力，使輸出功率仍保持相對穩定。服役過程中，先使葉片順槳，減少機組結構受力，即可使風機安全停機。

圖1 葉片截面示意圖

葉片的角度轉動由變槳電機驅動，葉片的角度保持也須由變槳電機提供阻力，通過對變槳電機輸出扭矩值變化的測量，獲得的這個數值即為葉根扭矩。

在葉輪轉動時，受葉片重力影響，葉根扭矩值隨轉速變化呈現周期性規律，根據某機組實測數據，其3個槳葉軸承處葉根扭矩與葉輪轉速關系如圖2所示。

圖2 葉根扭矩波形圖

2.3 葉輪轉速的計算方法

從風電場實測數據中可以看出，葉根扭矩數據除了具備與轉速有強相關的周期性波動外，受外界風力影響及葉片振動影響，在波形上疊加了不同的直流分量及高頻振動，因此首先需要對信號進行低通濾波。

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是運行步長，T是時間常數；u是輸入信號；y是輸出信號。

考慮在系統剛開始運行時，需要把輸入的初始值作為濾波器的計算起始點，實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，經過濾波處理后的波形圖，數據特征十分明顯。

濾波后的葉根扭矩數據，可近似為與轉速同頻的變頻信號，因風機的轉速在不停波動，因此對其做常規頻譜分析并不能提取當前的實時轉速信息，而希爾伯特變換正適用于此類場景。

希爾伯特變換也是傅里葉變換的一種擴展，它常常用于通信系統中的調制解調，當然它也可以用于信號的時頻分析。其計算方法為：

計算輸入信號的FFT，保存為向量F。創建一個向量h，其中：

(3)

計算F與h的內積，計算上步得到的序列的iFFT。

在時頻分析領域，希爾伯特變換主要用于瞬時頻率估計，若信號為單頻率成分信號，即同一時刻只有一個頻率分量的信號?？梢杂蒆ilbert譜很好地觀察出信號的時頻特征，且有很高的時間分辨率。

假設解析信號為z(t) ：

z(t)=c(t)+jy(t)=aejθ(t)

(4)

其中:

(5)

(6)

(7)

式(5)即表示信號瞬時幅值，式(6)表示信號瞬時相位，式(7)表示信號瞬時頻率。聯立式(4)-(7)，可將信號瞬時狀態x(t)表示為：

(8)

使用|a(t)|2表示瞬時能量，在時間-頻率面上畫出信號的瞬時能量分布，這個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 轉速容錯保護邏輯

2.4.1 直驅風力發電機組

直驅機組轉速監測至少包括編碼器轉速和變流器轉速。當出現轉速不一致的故障時，用虛擬風輪轉速校對出可用傳感器轉速，以此作為風機運行控制的參數。

1)轉速校準方式。通過實時計算每50 ms向主控發送一次虛擬轉速，主控收到虛擬轉速后實時校對其他傳感器轉速；虛擬風輪轉速與變流器轉速平均值校對，若匹配(由主控判斷，建議偏差小于變流器轉速×4%匹配)，則變流器轉速有效；計算虛擬風輪轉速與編碼器轉速平均值的偏差，若匹配(由主控判斷，建議偏差小于編碼器轉速×4%)，則編碼器轉速有效。

2)主控進入容差運行邏輯及容差運行方式。邏輯：主控啟用轉速傳感器容差功能，且收到有效的虛擬風輪轉速值，當轉速傳感器失效(轉速不一致，由主控判斷)，啟用虛擬風輪轉速校準出有效傳感器轉速進行控制，進入容差運行。

2.4.2 雙饋風力發電機組

雙饋機組轉速監測包括主軸轉速、齒輪箱轉速、發電機轉速和變流器轉速。當轉速不一致故障或轉速傳感器失效時，只要保證傳動鏈前后端轉速匹配，則可用虛擬風輪轉速校對出可用傳感器轉速，以此作為風機運行控制參數。

1)轉速校準方式。通過實時計算每隔50 ms向主控發送一次虛擬轉速，主控收到虛擬轉速后實時校對其他傳感器轉速；虛擬風輪轉速與各轉速校對，若匹配(由主控判斷，建議乘以齒輪箱速比后偏差小于30 rpm)，則對應轉速有效。

2)主控進入容差運行邏輯及容差運行方式。邏輯：主控啟用轉速傳感器容差功能，且收到有效的虛擬風輪轉速值，當轉速傳感器失效或轉速不一致(由主控判斷)，啟用虛擬風輪轉速和其他傳感器轉速一起進行校對，判斷傳動鏈是否異常。若傳動鏈前后端轉速匹配，則識別出有效傳感器轉速進行控制，進入容差運行。

3 風機葉輪轉速計算實例

3.1 數據來源說明

某風電場位于山地，風況變化較大，轉速存在較為明顯波動，因此更容易測試出計算方法的可靠性。

輸入條件：①某機組葉尖最高點距地面136 m，葉輪掃風直徑116 m。②機組3片葉片葉根扭矩以10 ms為間隔的采樣數據。③機組葉輪轉速實測數據以10 ms為間隔的采樣數據。

由于數據頻率較高，因此為了繪圖及對比明顯，對計算轉速值及真實轉速值進行了1 000:1的抽樣處理如圖7所示。

圖7 抽樣測量葉輪轉速和計算葉輪轉速對比圖

3.2 實驗案例計算結果

從圖8及圖9可以看出:對機組轉速的擬合計算，其最大誤差在1.5%～2%，這個誤差率已經可以滿足風力發電機組轉速實時容錯保護所需。考慮安全因素，當進入降容運行時，考慮某個點的轉速時可根據3只葉片的數據進行計算，然后進行綜合考慮；但若發現某次計算轉速誤差過大，且超過風力發電機組設定的額定轉速92%，就需要進行停機操作。

圖8 抽樣測量葉輪轉速和計算葉輪轉速的誤差分布

圖9 取較長時間數據的誤差分布

4 結語

風電機組的安全運行，離不開對機組轉速的有效測量與應用。通過對葉輪轉速的擬合計算，可利用葉根扭矩信號計算實時葉輪轉速，并對風電機組轉速傳感器進行容錯校驗。對此方法的推廣應用，可在不增加更多額外轉速測量傳感器的前提下，盡量減少傳感器失效對機組運行帶來的影響，可以有效減少機組停機以及停機帶來的電量損失，并保證機組安全運行。