风电机组叶轮转速传感器的容错保护方法

曾一鸣，张 坤，宁 琨，沈 菲

(东方电气风电有限公司，四川 德阳 618000)

0 引言

风力发电机组发电量的多少与其运行时间直接相关，因而保证风电机组的正常运行对于提升风电经济效益起着至关重要的作用。但因风场多变的风速或者风力发电机组自身故障，将导致风力发电机组叶轮转速发生突变。若不能及时获得风力发电机组叶轮转速数据，对风力发电机组进行处理的话，将造成十分严重的后果。为了保障风力发电机组的安全运行，需要获取实时风力发电机组的叶轮转速数据，对风力发电机组安全进行实时保护。

1 研究现状

目前，对风力发电机组的转速保护仍然基于传感器对转速的测量，但对传感器本身的故障未具备容错机制，机组多个传感器出现测量不一致的情况只能采取停机保护。王新亮等进行了风机转速测量故障的分析，提出了对各传感器故障的判断方法[1]。王庆龙等利用双馈电机的电流特性，提出了对双馈电机转子转速的一种计算方法[2]。陈明亮等对永磁直驱风力发电机的数学模型进行分析，提出了不依赖传感器快速得到转子位置和转速信息并应用于控制的方法[3]。

综合以上研究现状可知，使风力发电机组的控制及安全保护减少对传感器数据的依赖，在多个转速来源至少有一个校验可信时，可继续保持机组安全运行，减少停机，因此，冗余一种获取实时风力发电机组叶轮转速数据，对大型风力发电机组进行安全保护的方法就显得十分必要。

2 风机转速传感器容错方法

2.1 风机转速的测量

直驱机组转速监测至少包括编码器转速和变流器转速，其中，编码器转速采取快速测量角度变化的方式，利用机组主控系统10 ms运算周期，获取每个时间片角度变化，得到瞬时转速，编码器转速测量容易受到信号干扰发生跳变，从而导致转速测量出现误差，编码器的硬件损坏则会导致转速测量失效；变流器转速由变流器对发电机电流进行测量，根据额定转差与当前输出频率，估算当前的转速，估计值精度会更多受到负载的影响，无传感器矢量控制时，实际转速是根据额定转差与估算电机模型及电流进行检测，精度较vf控制要好于传感器的矢量控制时，该参数是通过编码器的反馈实时计算，其中的误差是编码器的精度和分辨率，另外还有由于滤波所产生的滞后。

双馈机组转速监测包括主轴转速、齿轮箱转速、发电机转速和变流器转速。其原理与直驱机组基本一致，但有了更多的转速传感器冗余，从理论上说容错能力更为增强。

2.2 叶根扭矩

风力发电机组由风驱动叶轮转动发电，要从自然界获取风能，需要叶轮叶片的参与。风电机组叶片(见图1)采用升力体结构原理制造，空气在翼型的曲面产生的压力较小，在另一面产生的压力较大，2个力合成后即为垂直于空气流动方向的升力。叶片与轮毂的连接通过轴承实现，叶片攻角可以在一定范围内变化，即变桨距控制。变桨距叶片可以改变角度以保证风机在设计风速下很快达到额定功率，超过设计风速后，整个叶片绕叶片中心轴旋转，减小攻角并降低升力，使输出功率仍保持相对稳定。服役过程中，先使叶片顺桨，减少机组结构受力，即可使风机安全停机。

图1 叶片截面示意图

叶片的角度转动由变桨电机驱动，叶片的角度保持也须由变桨电机提供阻力，通过对变桨电机输出扭矩值变化的测量，获得的这个数值即为叶根扭矩。

在叶轮转动时，受叶片重力影响，叶根扭矩值随转速变化呈现周期性规律，根据某机组实测数据，其3个桨叶轴承处叶根扭矩与叶轮转速关系如图2所示。

图2 叶根扭矩波形图

2.3 叶轮转速的计算方法

从风电场实测数据中可以看出，叶根扭矩数据除了具备与转速有强相关的周期性波动外，受外界风力影响及叶片振动影响，在波形上叠加了不同的直流分量及高频振动，因此首先需要对信号进行低通滤波。

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之间，dT是运行步长，T是时间常数；u是输入信号；y是输出信号。

考虑在系统刚开始运行时，需要把输入的初始值作为滤波器的计算起始点，实际搭建的滤波器模型如图3所示。

图3 低通滤波器模型图

图4 叶片1叶根扭矩滤波前

图5 叶片1叶根扭矩滤波后

从图4和图5可以明显看出，经过滤波处理后的波形图，数据特征十分明显。

滤波后的叶根扭矩数据，可近似为与转速同频的变频信号，因风机的转速在不停波动，因此对其做常规频谱分析并不能提取当前的实时转速信息，而希尔伯特变换正适用于此类场景。

希尔伯特变换也是傅里叶变换的一种扩展，它常常用于通信系统中的调制解调，当然它也可以用于信号的时频分析。其计算方法为：

计算输入信号的FFT，保存为向量F。创建一个向量h，其中：

(3)

计算F与h的内积，计算上步得到的序列的iFFT。

在时频分析领域，希尔伯特变换主要用于瞬时频率估计，若信号为单频率成分信号，即同一时刻只有一个频率分量的信号。可以由Hilbert谱很好地观察出信号的时频特征，且有很高的时间分辨率。

假设解析信号为z(t) ：

z(t)=c(t)+jy(t)=aejθ(t)

(4)

其中:

(5)

(6)

(7)

式(5)即表示信号瞬时幅值，式(6)表示信号瞬时相位，式(7)表示信号瞬时频率。联立式(4)-(7)，可将信号瞬时状态x(t)表示为：

(8)

使用|a(t)|2表示瞬时能量，在时间-频率面上画出信号的瞬时能量分布，这个分布谱图就是希尔伯特谱(Hilbert)，如见图6所示，记为H(ω，t) 。

图6 希尔伯特谱图示

2.4 转速容错保护逻辑

2.4.1 直驱风力发电机组

直驱机组转速监测至少包括编码器转速和变流器转速。当出现转速不一致的故障时，用虚拟风轮转速校对出可用传感器转速，以此作为风机运行控制的参数。

1)转速校准方式。通过实时计算每50 ms向主控发送一次虚拟转速，主控收到虚拟转速后实时校对其他传感器转速；虚拟风轮转速与变流器转速平均值校对，若匹配(由主控判断，建议偏差小于变流器转速×4%匹配)，则变流器转速有效；计算虚拟风轮转速与编码器转速平均值的偏差，若匹配(由主控判断，建议偏差小于编码器转速×4%)，则编码器转速有效。

2)主控进入容差运行逻辑及容差运行方式。逻辑：主控启用转速传感器容差功能，且收到有效的虚拟风轮转速值，当转速传感器失效(转速不一致，由主控判断)，启用虚拟风轮转速校准出有效传感器转速进行控制，进入容差运行。

2.4.2 双馈风力发电机组

双馈机组转速监测包括主轴转速、齿轮箱转速、发电机转速和变流器转速。当转速不一致故障或转速传感器失效时，只要保证传动链前后端转速匹配，则可用虚拟风轮转速校对出可用传感器转速，以此作为风机运行控制参数。

1)转速校准方式。通过实时计算每隔50 ms向主控发送一次虚拟转速，主控收到虚拟转速后实时校对其他传感器转速；虚拟风轮转速与各转速校对，若匹配(由主控判断，建议乘以齿轮箱速比后偏差小于30 rpm)，则对应转速有效。

2)主控进入容差运行逻辑及容差运行方式。逻辑：主控启用转速传感器容差功能，且收到有效的虚拟风轮转速值，当转速传感器失效或转速不一致(由主控判断)，启用虚拟风轮转速和其他传感器转速一起进行校对，判断传动链是否异常。若传动链前后端转速匹配，则识别出有效传感器转速进行控制，进入容差运行。

3 风机叶轮转速计算实例

3.1 数据来源说明

某风电场位于山地，风况变化较大，转速存在较为明显波动，因此更容易测试出计算方法的可靠性。

输入条件：①某机组叶尖最高点距地面136 m，叶轮扫风直径116 m。②机组3片叶片叶根扭矩以10 ms为间隔的采样数据。③机组叶轮转速实测数据以10 ms为间隔的采样数据。

由于数据频率较高，因此为了绘图及对比明显，对计算转速值及真实转速值进行了1 000:1的抽样处理如图7所示。

图7 抽样测量叶轮转速和计算叶轮转速对比图

3.2 实验案例计算结果

从图8及图9可以看出:对机组转速的拟合计算，其最大误差在1.5%～2%，这个误差率已经可以满足风力发电机组转速实时容错保护所需。考虑安全因素，当进入降容运行时，考虑某个点的转速时可根据3只叶片的数据进行计算，然后进行综合考虑；但若发现某次计算转速误差过大，且超过风力发电机组设定的额定转速92%，就需要进行停机操作。

图8 抽样测量叶轮转速和计算叶轮转速的误差分布

图9 取较长时间数据的误差分布

4 结语

风电机组的安全运行，离不开对机组转速的有效测量与应用。通过对叶轮转速的拟合计算，可利用叶根扭矩信号计算实时叶轮转速，并对风电机组转速传感器进行容错校验。对此方法的推广应用，可在不增加更多额外转速测量传感器的前提下，尽量减少传感器失效对机组运行带来的影响，可以有效减少机组停机以及停机带来的电量损失，并保证机组安全运行。