1、1.背景2.变桨距系统控制原理3.基于模型的变桨距系统故障检测4.仿真结果5.总结1.背景故障高发机械部件变桨距系统传动系统故障检测技术基于模型的检测方法（Model-based detection）基于数据的检测方法（输入输出，无建模，干扰，单一故障）2.变桨距系统控制原理工况最大风能捕获阶段起动并网阶段恒功率控制阶段超风速切出阶段12 3,2PR v CP 12.5-116,0.22-0.4-5110.035-30.081Cepii 第三工况：恒功率控制阶段（变桨距角控制）第二工况：最大风能捕获阶段（定桨距角控制）rRv1 Chih-Ming Hong.Maximum power poin
2、t tracking-based control algorithm for PMSG wind generation system without mechanical sensors.2于文杰.永磁直驱风力发电系统最大风能追踪策略研究D.东北电力大学,2008.3.基于模型的变桨距系统故障检测3.1 用于变桨距系统故障检测的风机模型图3.1 风机系统模型rg1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）根据空气动力学特性，建立每个叶片所受到的转矩模型：33,2R CvqiTr 风力机所受的整体机械转矩：（三个叶片）3133,6iiR CvqiTr CpCq1赵洪山,连莎莎,邵玲.基于模型的风电机
3、组变桨距系统故障检测J.电网技术,2015,02:440-444.2）传动系统模型（齿轮箱模型）作用：将转矩从转子传送到发电机rrTrABggTg状态空间方程：2110dtrdtdtrgrrdtdtggdtdtdtdtggggggBBBKJN JJBBNBKAN JJN JN1010rrJBJ低速轴的惯性力矩传动系统的扭转刚度传动系统的扭转阻尼系数高速轴的粘性摩擦系数高速轴的惯性力矩传动轴的扭角齿轮比传动系统的传动效率rJdtKdtdtBgBgJgN1郭双伟.基于结构分析方法的风电机组的故障检测研究D.华北电力大学,2016.电网技术,2015,02:440-444.2）采用残差范数的均值作为
4、故障判别函数，不仅能快速准确检测突发故障，而且实现了对潜在缓变故障的检测。基于结构分析方法的风电机组的故障检测研究D.基于模型的风电机组变桨距系统故障检测J.采用1阶传递函数的简化模型，时域表达式为：风力机所受的整体机械转矩：（三个叶片）Energy Conversion and Management,2013,69(12):5867.基于结构分析方法的风电机组的故障检测研究D.电网技术,2015,02:440-444.1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）残差均值不为0，系统存在异常根据空气动力学特性，建立每个叶片所受到的转矩模型：基于结构分析方法的风电机组的故障检测研究D.东北电力大学,
5、2008.1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）采用1阶传递函数的简化模型，时域表达式为：作用：将转矩从转子传送到发电机电网技术,2015,02:440-444.桨距角反馈滤波时间常数1赵洪山,连莎莎,邵玲.采用1阶传递函数的简化模型，时域表达式为：.tttgcgcTTTgggr Ptttgc gTgg发电机发出的功率为：3）发电机模型4）变桨距系统模型图3.2 液压变桨距系统结构图 2222,sinsssr jnn1,2,3i变桨距系统的自然频率变桨距系统的阻尼系数nI2）采用残差范数的均值作为故障判别函数，不仅能快速准确检测突发故障，而且实现了对潜在缓变故障的检测。采用1阶传递函数的简化
6、模型，时域表达式为：1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）残差均值为0，系统无故障风力机所受的整体机械转矩：（三个叶片）华北电力大学,2016.东北电力大学,2008.1赵洪山,连莎莎,邵玲.基于结构分析方法的风电机组的故障检测研究D.Maximum power point tracking-based control algorithm for PMSG wind generation system without mechanical sensors.2）传动系统模型（齿轮箱模型）（Model-based detection）华北电力大学,2016.1)变桨距执行机构故障作用：将转矩从转
7、子传送到发电机采用1阶传递函数的简化模型，时域表达式为：采用1阶传递函数的简化模型，时域表达式为：基于数学模型，可以推导出系统许多不同变量之间的不变的（静态或动态）关系，而与这些关系的任何违背都可以用作残差。4）桨距角传感器模型,1Kii mTsifi1,2,3i传感器测量值桨距角反馈滤波时间常数桨距角反馈系数,i mTfiKi3.2 残差估计基于数学模型，可以推导出系统许多不同变量之间的不变的（静态或动态）关系，而与这些关系的任何违背都可以用作残差。0E r t 0E r t残差均值为0，系统无故障残差均值不为0，系统存在异常对于变桨距系统常见的缓变故障，在残差反应中不明显，会影响我们对系统
8、的正确判断。所以本文采用残差随着时间动态变化的均值作为残差判别函数，即用残差范数的均值来进行故障检测。12,0tTrr rdttt2,2,rdtt2,dt的最大值max,Jdt可根据经验得到，考虑到延迟和误警率，可以定义阀值,maxJJthd由经验所得，那么故障逻辑由下式表示：2,rJtht2,rJtht正常故障图3.3 变桨距系统故障检测原理4.仿真结果图4.1 实际风速曲线图4.2 桨距角残差1)变桨距执行机构故障2)桨距角传感器故障缓变故障（加性故障）突发故障（输出卡死）5.总结本文提出了基于风电机组物理特性的数学模型的方法。通过对变桨距系统及桨距角传感器的故障进行分析，找出特征参数，以
9、此建立了模型。继而引入可反映系统实际运行情况和模型估计情况之间偏差的判别函数，从而得到了能准确反应变桨距系统运行状况的残差范数的均值曲线。从仿真实验结果可以得出结论如下：1）基于模型的故障检测方法提取的故障特征明显，对故障的定位准确，给现场监控和检修带来极大方便。2）采用残差范数的均值作为故障判别函数，不仅能快速准确检测突发故障，而且实现了对潜在缓变故障的检测。为实现设备的状态检修提供保障，对系统的经济可靠运行意义重大。参考文献1 赵洪山,连莎莎,邵玲.基于模型的风电机组变桨距系统故障检测J.电网技术,2015,02:440-444.2 郭双伟.基于结构分析方法的风电机组的故障检测研究D.华北
10、电力大学,2016.3 Hong CM,Chen CH,Tu CS.Maximum power point tracking-based control algorithm for PMSG wind generation system without mechanical sensorsJ.Energy Conversion and Management,2013,69(12):5867.4 于文杰.永磁直驱风力发电系统最大风能追踪策略研究D.东北电力大学,2008.1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）根据空气动力学特性，建立每个叶片所受到的转矩模型：33,2R CvqiTr 风力机所受
11、的整体机械转矩：（三个叶片）3133,6iiR CvqiTr CpCq1赵洪山,连莎莎,邵玲.基于模型的风电机组变桨距系统故障检测J.电网技术,2015,02:440-444.采用1阶传递函数的简化模型，时域表达式为：.tttgcgcTTTgggr Ptttgc gTgg发电机发出的功率为：3）发电机模型东北电力大学,2008.东北电力大学,2008.电网技术,2015,02:440-444.基于模型的风电机组变桨距系统故障检测J.2）传动系统模型（齿轮箱模型）Maximum power point tracking-based control algorithm for PMSG wind
12、generation system without mechanical sensors.（Model-based detection）Energy Conversion and Management,2013,69(12):5867.1)变桨距执行机构故障华北电力大学,2016.Maximum power point tracking-based control algorithm for PMSG wind generation system without mechanical sensors.作用：将转矩从转子传送到发电机基于结构分析方法的风电机组的故障检测研究D.电网技术,2015,
13、02:440-444.华北电力大学,2016.1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）1赵洪山,连莎莎,邵玲.作用：将转矩从转子传送到发电机根据空气动力学特性，建立每个叶片所受到的转矩模型：继而引入可反映系统实际运行情况和模型估计情况之间偏差的判别函数，从而得到了能准确反应变桨距系统运行状况的残差范数的均值曲线。残差均值不为0，系统存在异常基于模型的风电机组变桨距系统故障检测J.基于数据的检测方法（输入输出，无建模，干扰，单一故障）第三工况：恒功率控制阶段2）采用残差范数的均值作为故障判别函数，不仅能快速准确检测突发故障，而且实现了对潜在缓变故障的检测。
14、由经验所得，那么故障逻辑由下式表示：东北电力大学,2008.1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）作用：将转矩从转子传送到发电机根据空气动力学特性，建立每个叶片所受到的转矩模型：2）传动系统模型（齿轮箱模型）采用1阶传递函数的简化模型，时域表达式为：作用：将转矩从转子传送到发电机华北电力大学,2016.采用1阶传递函数的简化模型，时域表达式为：第三工况：恒功率控制阶段基于数据的检测方法（输入输出，无建模，干扰，单一故障）1)变桨距执行机构故障Maximum power point tracking-based control algorithm for PMSG wind generatio
15、n system without mechanical sensors.电网技术,2015,02:440-444.残差均值不为0，系统存在异常电网技术,2015,02:440-444.Maximum power point tracking-based control algorithm for PMSG wind generation system without mechanical sensorsJ.残差均值为0，系统无故障传动系统的扭转阻尼系数桨距角反馈滤波时间常数电网技术,2015,02:440-444.残差均值不为0，系统存在异常根据空气动力学特性，建立每个叶片所受到的转矩模型：电
16、网技术,2015,02:440-444.2）采用残差范数的均值作为故障判别函数，不仅能快速准确检测突发故障，而且实现了对潜在缓变故障的检测。华北电力大学,2016.电网技术,2015,02:440-444.电网技术,2015,02:440-444.为实现设备的状态检修提供保障，对系统的经济可靠运行意义重大。风力机所受的整体机械转矩：（三个叶片）基于结构分析方法的风电机组的故障检测研究D.风力机所受的整体机械转矩：（三个叶片）电网技术,2015,02:440-444.3 变桨距系统故障检测原理电网技术,2015,02:440-444.东北电力大学,2008.2）采用残差范数的均值作为故障判别函数
17、，不仅能快速准确检测突发故障，而且实现了对潜在缓变故障的检测。电网技术,2015,02:440-444.电网技术,2015,02:440-444.基于模型的风电机组变桨距系统故障检测J.2）传动系统模型（齿轮箱模型）1 用于变桨距系统故障检测的风机模型Energy Conversion and Management,2013,69(12):5867.1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）电网技术,2015,02:440-444.2)桨距角传感器故障电网技术,2015,02:440-444.3 变桨距系统故障检测原理2）传动系统模型（齿轮箱模型）东北电力大学,2008.由经验所得，那么故障逻辑
18、由下式表示：电网技术,2015,02:440-444.基于结构分析方法的风电机组的故障检测研究D.1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）电网技术,2015,02:440-444.风力机所受的整体机械转矩：（三个叶片）1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）基于结构分析方法的风电机组的故障检测研究D.从仿真实验结果可以得出结论如下：Maximum power point tracking-based control algorithm for PMSG wind generation system without mechanical sensors.第三工况：恒功率控制阶段东北电力大学,20
19、08.1赵洪山,连莎莎,邵玲.2）采用残差范数的均值作为故障判别函数，不仅能快速准确检测突发故障，而且实现了对潜在缓变故障的检测。为实现设备的状态检修提供保障，对系统的经济可靠运行意义重大。风力机所受的整体机械转矩：（三个叶片）基于模型的风电机组变桨距系统故障检测J.电网技术,2015,02:440-444.由经验所得，那么故障逻辑由下式表示：2)桨距角传感器故障电网技术,2015,02:440-444.为实现设备的状态检修提供保障，对系统的经济可靠运行意义重大。1)变桨距执行机构故障1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）东北电力大学,2008.作用：将转矩从转子传送到发电机2）传动系统模型
20、（齿轮箱模型）Maximum power point tracking-based control algorithm for PMSG wind generation system without mechanical sensors.为实现设备的状态检修提供保障，对系统的经济可靠运行意义重大。风力机所受的整体机械转矩：（三个叶片）东北电力大学,2008.桨距角反馈滤波时间常数2)桨距角传感器故障2）采用残差范数的均值作为故障判别函数，不仅能快速准确检测突发故障，而且实现了对潜在缓变故障的检测。Maximum power point tracking-based control algori
21、thm for PMSG wind generation system without mechanical sensorsJ.风力机所受的整体机械转矩：（三个叶片）第三工况：恒功率控制阶段3 变桨距系统故障检测原理2）采用残差范数的均值作为故障判别函数，不仅能快速准确检测突发故障，而且实现了对潜在缓变故障的检测。电网技术,2015,02:440-444.根据空气动力学特性，建立每个叶片所受到的转矩模型：2）传动系统模型（齿轮箱模型）Maximum power point tracking-based control algorithm for PMSG wind generation sys
22、tem without mechanical sensors.东北电力大学,2008.电网技术,2015,02:440-444.根据空气动力学特性，建立每个叶片所受到的转矩模型：基于模型的变桨距系统故障检测1）基于模型的故障检测方法提取的故障特征明显，对故障的定位准确，给现场监控和检修带来极大方便。基于数据的检测方法（输入输出，无建模，干扰，单一故障）由经验所得，那么故障逻辑由下式表示：电网技术,2015,02:440-444.2)桨距角传感器故障采用1阶传递函数的简化模型，时域表达式为：2）传动系统模型（齿轮箱模型）2）传动系统模型（齿轮箱模型）为实现设备的状态检修提供保障，对系统的经济可靠
23、运行意义重大。1）叶片模型（以风速和变桨模型作为输入）作用：将转矩从转子传送到发电机2）采用残差范数的均值作为故障判别函数，不仅能快速准确检测突发故障，而且实现了对潜在缓变故障的检测。电网技术,2015,02:440-444.1）基于模型的故障检测方法提取的故障特征明显，对故障的定位准确，给现场监控和检修带来极大方便。采用1阶传递函数的简化模型，时域表达式为：风力机所受的整体机械转矩：（三个叶片）5.总结本文提出了基于风电机组物理特性的数学模型的方法。通过对变桨距系统及桨距角传感器的故障进行分析，找出特征参数，以此建立了模型。继而引入可反映系统实际运行情况和模型估计情况之间偏差的判别函数，从而得到了能准确反应变桨距系统运行状况的残差范数的均值曲线。从仿真实验结果可以得出结论如下：1）基于模型的故障检测方法提取的故障特征明显，对故障的定位准确，给现场监控和检修带来极大方便。2）采用残差范数的均值作为故障判别函数，不仅能快速准确检测突发故障，而且实现了对潜在缓变故障的检测。为实现设备的状态检修提供保障，对系统的经济可靠运行意义重大。
