[论文解读] 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 3

一句话总结

本论文提出了一种新颖的容错分数阶高阶滑模控制（FO-HOSMC）策略，用于风力涡轮机，以在传感器、执行器和系统故障下确保最优转子速度跟踪和最大功率提取。通过整合分数阶微积分与高阶滑模控制及状态观测器，该方法实现了有限时间收敛、颤振抑制以及对不确定性和故障的鲁棒性。

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.

研究动机与目标

• 解决风能转换系统（WECS）在多种故障类型（包括传感器、执行器和系统故障）下对可靠且高效控制的迫切需求。
• 克服传统滑模控制（SMC）固有的颤振问题，该问题会降低性能并加速部件磨损。
• 提升双馈感应发电机（DFIG）型WECS在模型不确定性、外部扰动和部分执行器故障下的控制精度与鲁棒性。
• 整合分数阶微积分与高阶滑模控制，以提高收敛速度并减少颤振，同时保持鲁棒性。
• 利用代数状态估计器和滑模观测器开发主动容错控制策略，以在传感器故障期间重构转子电流动态。

提出的方法

• 设计一种分数阶高阶滑模控制器（FO-HOSMC），利用分数阶导数以提升WECS中的收敛速度并减少颤振。
• 采用动态加权并行萤火虫算法（DWPFA）优化控制器参数，以实现容错性能。
• 集成两种状态观测器——代数状态估计器和滑模观测器——以在传感器故障期间估计转子电流动态。
• 将传感器、执行器和系统故障建模为参数变化（例如，发电机扭矩部分损失），以模拟真实故障场景。
• 应用李雅普诺夫稳定性理论，证明在不确定性与扰动下闭环系统的有限时间收敛性和鲁棒性。
• 使用Oustaloup的递归逼近法实现控制律中分数阶导数的数值计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在传感器、执行器和系统故障下，分数阶高阶滑模控制如何提升容错能力与颤振抑制效果？
• RQ2 在DFIG型WECS中，状态观测器在传感器故障期间对转子电流动态的重构精度如何？
• RQ3 模型不确定性与部分执行器故障对所提出的容错控制策略性能有何影响？
• RQ4 与传统SMC相比，分数阶微积分的整合如何提升控制系统的收敛速度与鲁棒性？
• RQ5 在不同故障严重程度下，所提出的控制器能否保持最优转子速度跟踪与最大功率提取？

主要发现

• 所提出的FO-HOSMC实现了系统状态在有限时间内收敛至平衡点，确保了故障下的快速稳定。
• 由于采用了分数阶导数和高阶滑模面，颤振显著减少，控制信号更加平滑。
• 控制器在模型不确定性和外部扰动下仍保持鲁棒性能，即使在部分执行器故障期间也能实现稳定的功率输出。
• 代数状态估计器与滑模观测器的集成实现了传感器故障期间转子电流的精确估计，从而保持了控制精度。
• 仿真结果表明，即使在严重故障条件下，控制器仍能以高精度实现最大功率提取。
• 基于DWPFA的控制器参数优化增强了控制器在多样化故障场景下的自适应能力与性能。