[논문 리뷰] Optimal and Robust Fault Tolerant Control of Wind Turbines Working under Sensor, Actuator, and System Faults

Yashar Mousavi|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 24.

Wind Turbine Control SystemsEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 센서, 액추에이터 및 시스템 고장 상황에서도 최적의 로터 속도 추적과 최대 출력 추출을 보장하기 위해 풍력 터빈에 대한 새로운 고장내성 분수계수 고차수 슬라이딩 모드 제어(FO-HOSMC) 전략을 제안한다. 분수계산과 고차수 슬라이딩 모드 제어를 상태 관측기와 융합함으로써, 유한시간 수렴, 채터링 억제 및 불확실성과 고장에 대한 강건성을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 고장 유형(센서, 액추에이터, 시스템 고장 포함)이 발생하는 풍력 에너지 변환 시스템(WECS)에서 신뢰성 있고 효율적인 제어의 필수적 필요성 해결.
• 기존 슬라이딩 모드 제어(SMC)에서 내재된 채터링 문제를 극복하여 성능 저하와 부품 마모를 가속화하는 문제 해결.
• 이중권형유도발전기(DFIG) 기반 WECS에서 모델 불확실성, 외부 교란 및 부분적 액추에이터 고장에 대한 제어 정밀도 향상 및 강건성 향상.
• 분수계산과 고차수 슬라이딩 모드 제어를 융합하여 수렴 속도 향상 및 채터링 감소를 동시에 달성하면서도 강건성 유지.
• 대수적 상태 추정기와 슬라이딩 모드 관측기를 활용한 능동적 고장내성 제어 전략 개발로, 센서 고장 발생 시 로터 전류 동역학을 재구성함.

제안 방법

• 분수도를 사용하여 수렴 속도 향상 및 채터링 감소를 달성하는 분수계수 고차수 슬라이딩 모드 제어기(FO-HOSMC) 설계.
• 고장내성 성능을 최적화하기 위해 동적 가중 병렬 파리알고리즘(DWPFA)을 도입하여 제어기 파라미터 최적화.
• 센서 고장 발생 시 로터 전류 동역학을 추정하기 위해 두 가지 상태 관측기(대수적 상태 추정기 및 슬라이딩 모드 관측기) 통합.
• 센서, 액추에이터 및 시스템 고장을 각각 파라미터 변화(예: 발전기 토크 부분 손실)로 모델링하여 실제 고장 시나리오 시뮬레이션.
• 유한시간 수렴 및 불확실성과 교란 하에서의 폐루프 시스템 강건성을 증명하기 위해 라플라스 안정성 이론 적용.
• 제어 법칙에서 분수계수 도함수의 수치적 구현을 위해 오스타루프의 재귀적 근사법 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분수계수 고차수 슬라이딩 모드 제어는 센서, 액추에이터 및 시스템 고장 상황에서 풍력 터빈의 고장내성 및 채터링 억제에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 DFIG 기반 WECS에서 센서 고장 발생 시 상태 관측기가 로터 전류 동역학을 얼마나 정확하게 재구성할 수 있는가?
• RQ3 모델 불확실성과 부분적 액추에이터 고장은 제안된 고장내성 제어 전략의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 분수계산의 통합은 기존 SMC 대비 제어 시스템의 수렴 속도 향상 및 강건성 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 고장 심각도 수준이 다양하게 변화하는 상황에서도 제안된 제어기가 최적의 로터 속도 추적 및 최대 출력 추출을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 FO-HOSMC는 시스템 상태가 평형점으로 유한시간 내에 수렴함을 보장하여 고장 발생 시 빠른 안정화 달성.
• 분수계수 도함수와 고차수 슬라이딩 모드 표면의 사용으로 채터링이 크게 감소하여 제어 신호의 매끄러움 향상.
• 모델 불확실성과 외부 교란 상황에서도 강건한 성능 유지하며, 부분적 액추에이터 고장 발생 시에도 안정적인 출력 유지.
• 대수적 및 슬라이딩 모드 관측기의 통합으로 센서 고장 발생 시 로터 전류를 정확하게 추정함으로써 제어 정확도 유지.
• 시뮬레이션 결과는 고장 조건이 심각한 상황에서도 높은 정밀도로 최대 출력 추출을 달성함을 입증.
• DWPFA 기반 제어기 파라미터 최적화로 다양한 고장 시나리오에서 제어기의 적응성과 성능 향상.