刘 立

（湘潭电机股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

0 引言

随着我国新能源技术的发展，水能、风能、地热能等逐渐得到了广泛应用，尤其是风能凭借着分布广、易获取等优势，发展十分迅速。目前，风力发电机多安装在偏远地区，运行环境恶劣，同时基于风电机组自身工作的复杂性，其运行受到诸多因素的干扰，加强抗干扰容错控制技术研究具有重要意义。

1 容错控制技术概述

容错控制，简称FTC，早期应用于计算机领域，解释为容忍故障。现代容错控制技术的发展主要分为两个方向：主动容错控制、被动容错控制。近年来，我国在此方面的研究日益深入，其可有效提高设备运行安全性、可靠性，对于油化工、核电站、风电场、航空航天等领域发展具有重要意义。

从基础理论角度来看，容错控制是基于现代控制、信号处理、统计数学等理论发展起来，其研究重点在于故障诊断、容错设计，前者检验系统工作是否正常，后者是在系统被干扰或是故障后采取有效控制策略、变更系统运行方式等方法，确保系统运行安全，防止引发严重事故。本文基于新能源发展背景下，围绕风力发电领域中抗干扰容错控制技术的应用展开分析，有效减小风速随机性、不确定性以及周边恶劣环境对风力发电的影响，保证电能质量[1-2]。

2 风力发电机抗干扰容错控制要求

2.1 风力发电机基本结构

风力发电机组成部分包括风能转换、传动、变桨距、发电机系统，具体结构如图1 所示。其中，ωt为风机转子转速；Tt为空气动力转矩；ωg为发电机转速；Tg为发电机电磁转矩；Pg为系统输出功率；β为桨距角；βd为参考桨距角。

图1 风力发电结构框图

根据图1 可知，风力发电整个系统结构复杂，同时存在诸多干扰因素，如何保证系统安全可靠运行是一个重要课题。

2.2 抗干扰容错控制要求

风力发电机运行中，主要干扰因素包括：机侧风速、随机噪声、机械振动、机械磨损、网侧电磁及谐波等。同时，机组机械、电气故障的发生，也会导致风力发电系统正常运行受到影响，电能质量不合格，引发电网电压波动、产生谐波等问题。由此，在风力发电技术发展中抗干扰容错控制研究具有重要意义，具体要求如下：

（1）通过抗干扰容错控制系统的应用，提高机组控制系统精度，保证输出功率平滑性，持续输出优质电能，确保并网运行安全；

（2）通过抗干扰容错控制系统的应用，减少机组维修成本，防止出现灾难性事故，或者是早期故障恶化；

（3）通过抗干扰容错控制系统的应用，实现风电机组运行经济、社会效益的最大化，逐步实现风能的大规模推广。

3 实例探析风力发电机抗干扰容错控制设计

本文以前端调速式风电机组抗干扰容错控制设计为例展开分析，具体如下。

3.1 风电机组基本情况

本次研究对象为前端调速式风电机组，采用的是无刷电励磁同步发电机，选用三级无刷励磁系统，有效避免了电刷使用容易产生的发热、接触不良等故障，发电机运行更为安全、可靠。

风力发电机运行环境复杂，受到诸多外界、本身干扰因素影响，有效的干扰抑制、容错控制将有效提高发电机系统运行稳定性，保证风力电能质量。本研究在考虑多源干扰、传感器故障的基础上开展容错控制系统设计，保证发电机运行安全、稳定[3]。

3.2 风力机组抗干扰容错控制设计

3.2.1 抗干扰容错控制系统结构

本项目抗干扰容错控制系统结构如图2 所示，采用干扰观测器、故障诊断观测器估计发电机干扰与故障情况，以鲁棒容错控制器进行干扰与故障补偿，保证系统运行稳定，输出的电能质量满足要求。

图2 抗干扰容错控制系统结构示意图

3.2.2 抗干扰容错控制系统仿真分析

假设传感器在10 s 发生故障，图3（a）为阶跃故障时干扰系统故障估计，图3（b）则是故障估计误差。

图3 阶跃故障

根据图3 可知，在多源干扰下，发电机组设计使用的故障诊断观测器准确的估计了传感器故障；阶跃故障时，发电机在不同状态下的相应曲线如图4 所示，分析可得故障情况下系统初始状态出现较大变化，但最终趋于稳定，系统整体运行可靠，验证了此抗干扰容错系统应用有效性。

图4 发电机各状态响应曲线

4 结论

基于风速随机性、机组自身复杂性的影响，风力发电机运行存在干扰因素多、故障率高的情况。根据发电机运行安全性要求，必须要设置抗干扰容错控制系统，确保风电机在多源干扰、故障的影响下，依旧稳定运行。这能防止引发大规模事故，并为风电能源的推广应用奠定坚实基础。