Fehlertoleranter Betrieb der doppeltgespeisten Asynchronmaschine bei Sensorfehlern durch Rekonfiguration der Regelung
Final Report Abstract
Eine über Umrichter doppeltgespeiste Asynchronmaschine, wie sie häufig in Windkraftanlagen zur Umwandlung der mechanischen Windenergie in elektrische Energie verwendet wird, wurde dahingehend weiterentwickelt, dass sie fehlertolerant gegenüber Sensorfehlern ist. Ein wichtiger Teil des gesamten Generatorsystems ist der regelnde Umrichter, der die Regelung des Leistungsflusses aus dem Generator ins Netz und die Umwandlung der variablen Generatorfrequenz in das öffentliche 50 Hz Stromnetz übernimmt. In dem Umrichter befindet sich ein Steuerungscomputer. Zur Regelung dieses Umrichters werden eine Anzahl von Messwerten durch Sensoren aufgenommen, so zum Beispiel die Netzspannung sowie die Ströme im Ständer und im Läufer des Generators. Daneben wird über einen Lagegeber die Lage des Laufers relativ zum Ständer besfimmt. Fällt einer dieser Sensoren aus, so ist normalerweise das gesamte System nicht einsetzbar. Dieses Problem wird durch die entwickelte Fehlertolerante Regelung angegangen. In dem regelnden Steuerungscomputer werden Rechenmodelle des Generators hinterlegt und während des Betriebs ständig in Echtzeit berechnet. Auf diese Weise läuft im Inneren des Steuerungscomputers ein virtueller Generator parallel zu dem reellen Generator der Windkraftanlage. Fällt ein Sensor des reellen Generators aus, so wird dies durch einen Vergleich mit dem virtuellen Rechenmodell erkannt. Aus der Abweichung, dem sogenannten Residuum, ist es möglich unter den vorhandenen Sensoren denjenigen zu isolieren, der ausgefallen ist. Dann wird dieser Sensor durch den aus dem Rechenmodell verfügbaren ersetzt, ohne das hierfür ein Anhalten des Generators erforderlich ist. Die Fehlerdetektion, die Isolation und das Umschalten auf den fehlerfreien virtuellen Sensor erfolgt in der Regel innerhalb von 4 bis 5 Millisekunden. Dieses Konzept wurde in Laboruntersuchungen an einem Teststand der Universität Kiel entwickelt und erprobt. Die grundlegenden Untersuchungen sind abgeschlossen und die Resultate sind sehr positiv zu bewerten. Die Erkennung und das Umschalten nach Sensorfehlern ist für die Messung der Netzspannung, der Netzströme und der Läuferströme des Generators erfolgreich, ebenso für den mechanischen Lagegeber. Während des Umschaltens kommt es nur zu kleinen Ungenauigkeiten, die schnell ausgeregelt sind. Diese Entwicklung könnte dazu beitragen, dass Windkraftanlagen zukünftig weniger fehleranfällig sind, was insbesondere für die geplanten Windparks in Nord- und Ostsee wichtig ist.
Publications
- Current Sensor Fault Detection by Bilinear Observer for a Doubly Fed Induction Generator, IECON'06, 32nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Paris. France, 2006
Rothenhagen, K., Fuchs, F.W.
- Current Sensor Fault Detection and Control Reconfiguration for a Doubly Fed Induction Generator, PESC'07, 38th Power Electronics Specialists Conference, Orlando, USA, 2007
Rothenhagen, K., Fuchs, F.W.
- Current Sensor Fault Detection, Isolation and Control Reconfiguration for Doubly Fed Induction Generators, IECON'07, Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Taipei, Taiwan, 2007
Rothenhagen, K., Fuchs, F.W.
- Implementation of State and Input Observers for Doubly-Fed Induction Generators, EUROCON'07, International Conference on Computer as a Tool, Warsaw, Poland, 2007
Rothenhagen, K., Fuchs, F.W.
- Stator Voltage Observation for a Doubly Fed Induction Generator, EPE'07, 12th European Conference on Power Electronics and Applications Aalborg, Denmark, 2007
Thomsen, S., Rothenhagen, K., Fuchs, F.W.
- Voltage Sensor Fault Detection and Reconfiguration for a Doubly Fed Induction Generator, SDEMPED'07, 6th International Symposium on Diagnostics for Electrical Machines, Power Electronics and Drives, Krakow, Poland, 2007
Rothenhagen, K., Thomsen, S., Fuchs, F.W.
- Advanced Sensor Fault Detection and Control Reconfiguration of Wind Power, PESC'08, 39th Power Electronics Specialists Conference, pp. 913 - 919 Rhodes, 2008, Greece
Rothenhagen, K., Fuchs, F.W.
- Online Parameter Identification Methods for Doubly Fed Induction Generators, PESC'08, 39th Power Electronics Specialists Conference, pp. 2735 -2741 Rhodes, Greece
Thomsen, S., Rothenhagen, K., Fuchs, F.W.
- Position estimator including saturation and iron losses for encoder fault detection of doubly-fed induction machine, Power Electronics and Motion Control Conference, 2008. EPE-PEMC 2008. 13th , pp. 1390-1397. 1-3 Sept. 2008
Rothenhagen, K., Fuchs, F.W.
- Doubly-Fed Induction Generator Model-based Sensor Fault Detection and Control Loop Reconfiguration, IEEE Transactions on Industrial Electronics
Rothenhagen, K., Fuchs, F.W.
(See online at https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2013683)
