[論文レビュー] Optimal and Robust Fault Tolerant Control of Wind Turbines Working under Sensor, Actuator, and System Faults

Yashar Mousavi|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2023

Wind Turbine Control SystemsEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、センサ、アクチュエータ、システムの故障下でも最適な回転速度追従と最大出力抽出を保証する、新規のフェイルセーフな分数次高次スライディングモード制御（FO-HOSMC）戦略を風力タービンに提案する。分数階微積分と高次スライディングモード制御を状態観測器と統合することにより、有限時間収束、チタリング抑制、不確実性および故障に対するロバスト性を達成する。

ABSTRACT

Motivated by the increasing concerns over environmental challenges such as global warming and the exhaustion of fossil-fuel reserves, the renewable energy industry has become the most demanded electrical energy production source worldwide. In this context, wind energy conversion systems (WECSs) are the most dominant and fastest-growing alternative energy production technologies, playing an increasingly vital role in renewable power generation. To tackle the pitch control problem of WECSs, this thesis proposes an optimal fault-tolerant fractional-order pitch control strategy for pitch angle regulation of WT blades subjected to sensor, actuator, and system faults. To showcast the effects of faults, changes in the system parameters are considered as a result of sensor, actuator and system faults with various levels of severity.} Furthermore, taking advantage of the favourable merits of higher-order SMCs and fractional calculus, this thesis develops a fault-tolerant fractional-calculus-based higher-order sliding mode controller for optimum rotor speed tracking and power production maximization of WECSs. extcolor{black}{The partial loss of the generator output torque is considered as an actuator failure, leading to loss of partial actuation power. Moreover, active fault-tolerant fractional-order higher-order SMC strategies are developed for rotor current regulation and speed trajectory tracking of doubly-fed induction generator (DFIG) -driven WECSs subjected to model uncertainties and rotor current sensor faults. The developed controllers are augmented with two state observers, an algebraic state estimator and a sliding mode observer, to estimate the rotor current dynamics during sensors' faults.

研究の動機と目的

• センサ、アクチュエータ、システムの故障を含む複数の故障タイプ下でも、信頼性と効率性を確保する風力発電変換システム（WECS）の制御の重要なニーズに対応する。
• 従来のスライディングモード制御（SMC）に内在するチタリング問題を克服し、性能の低下と部品の摩耗を軽減する。
• 双方向誘導発電機（DFIG）ベースのWECSにおけるモデル不確実性、外部の摂動、部分的アクチュエータ故障に対する制御精度とロバスト性を向上させる。
• 分数階微積分と高次スライディングモード制御を統合し、収束速度を向上させるとともにチタリングを低減しつつ、ロバスト性を維持する。
• 代数的状態推定器とスライディングモード観測器を用いたアクティブなフェイルセーフ制御戦略を開発し、センサ故障時におけるロータ電流ダイナミクスの再構築を実現する。

提案手法

• 分数階微分を用いることで収束速度を向上させるとともにチタリングを低減する分数次高次スライディングモードコントローラ（FO-HOSMC）を設計する。
• 故障耐性性能の最適化のため、動的加重並列ファイヤーフライアルゴリズム（DWPFA）を実装する。
• ロータ電流ダイナミクスの推定を可能にする2つの状態観測器（代数的状態推定器とスライディングモード観測器）を統合する。
• センサ、アクチュエータ、システムの故障を、例えば発電機トルクの部分的喪失といったパrameter変化としてモデル化し、現実的な故障シナリオを再現する。
• リャプノフ安定性理論を適用して、不確実性および摂動下での閉ループ系の有限時間収束性とロバスト性を証明する。
• 分数階微分の数値実装にオスタループの再帰的近似法を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分数次高次スライディングモード制御は、センサ、アクチュエータ、システムの故障下で、フェイルセーフ性とチタリング抑制をどのように向上させるか？
• RQ2 DFIGベースのWECSにおけるセンサ故障時、状態観測器はロータ電流ダイナミクスをどの程度正確に再構築できるか？
• RQ3 モデル不確実性と部分的アクチュエータ故障は、提案されたフェイルセーフ制御戦略の性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 分数階微積分の統合は、従来のSMCと比較して制御系の収束速度とロバスト性をどのように向上させるか？
• RQ5 提案されたコントローラは、故障の深刻度が変化する状況下でも、最適なロータ回転速度追従と最大出力抽出を維持できるか？

主な発見

• 提案されたFO-HOSMCは、システム状態が平衡点に有限時間で収束することを実現し、故障下でも迅速な安定化を保証する。
• 分数階微分と高次スライディングモード面の導入により、チタリングが顕著に低減され、制御信号の滑らかさが向上する。
• モデル不確実性と外部摂動下でもロバストな性能を維持し、部分的アクチュエータ故障時でさえ安定した出力が得られる。
• 代数的およびスライディングモード観測器の統合により、センサ故障時におけるロータ電流の正確な推定が可能となり、制御精度が維持される。
• シミュレーション結果は、深刻な故障状況下でも、高精度で最大出力抽出が達成されることを示している。
• DWPFAを用いたコントローラパrameterの最適化により、多様な故障シナリオにおけるコントローラの適応性と性能が向上している。