永磁同步风电机组功率平滑控制策略研究

大型风电机组普遍采用转矩-转速控制实现最大风能跟踪,传统控制策略下风机输出功率随着风速的变化而剧烈波动,影响了电网的稳定运行。在分析永磁同步风电机组运行特性的基础上,提出全风速范围内基于变桨的风电机组功率平滑控制策略,结合变桨和转矩控制实现风机跟踪给定功率,同时控制发电机低转速运行,抑制阵风时风电机组超速。基于MATLAB/Simulink,对一台2.5 MW高速永磁同步风力发电机进行仿真研究。结果表明,提出的控制策略能够有效抑制功率波动。     

永磁直驱风电机组一次调频特性分析

由于采用全功率变流器实现机械和电磁系统的解耦控制,永磁直驱风电机组不能对电网频率变化进行响应。为了使永磁直驱风电机组具备一次调频能力,采用转速和桨距角相结合的协调控制策略,并根据不同的风速条件,制定了低风速、中风速和高风速3种模式。在低风速时,采用减载运行至90%最大功率曲线和下垂控制相结合的控制策略;在中风速时,采用转速和桨距角结合的协调控制策略;在高风速时,采用减载运行至90%最大功率曲线和桨距角相结合的控制策略。以上控制策略可以使永磁直驱风电机组有效参与电网的一次调频。最后通过仿真结果验证了永磁直驱风电机组协调控制策略的有效性。     

基于功率和载荷协调的变桨距控制策略

风力机启动阶段变桨距实现最佳力矩,额定风速以上时变桨距实现恒功率控制。正常情况下变桨距过程引起的载荷变化不会超过设计阈值范围。但是,当风电机组设备老化疲劳后载荷阈值可能会下降,出现超载荷运行的现象,危害机组安全。本文在建立风电机组数学模型的基础上,分析了桨距角和载荷的内在关系,提出了功率和载荷协调的变桨距控制策略。当风电机组超载荷运行时,改变常规的变桨距控制策略,调整桨距角,优化变桨速率,以降低风电机组输出功率为代价,减小风电机组载荷,保证风电机组安全稳定运行。采用GH Bladed建模仿真,其仿真结果证明了控制策略的可行性和有效性。     

直驱永磁同步风电机组的最优功率运行控制

构建了直驱永磁同步风电机组的最优功率控制模型,包括低风速下的最大风能捕获控制模型和高风速下的桨距角控制模型.最大风能捕获控制以永磁同步发电机输出功率为反馈量,转速为控制对象,桨距角控制以转速为反馈量,桨距角为控制对象.在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了相应的仿真系统,对直驱永磁同步风电机组联网运行进行了仿真分析,对所建立的数学模型和最优功率控制方法的有效性进行了验证.     

基于变桨距和转矩动态控制的 直驱永磁同步风力发电机功率平滑控制

风能的不确定性以及风轮机自身特性使风力发电机输出有功功率随风速变化而波动,影响风电机组输出电能质量,严重时还会影响电网运行稳定性。在分析变桨变速直驱永磁同步风力发电机运行特性的基础上,提出了在全风速范围内结合风力机变桨控制和发电机变速控制的发电机有功功率平滑控制策略。考虑到风能的随机性及直驱风能发电系统很强的非线性,设计了基于模糊理论的变桨距控制器和发电机转矩动态滑模控制器。对一台采用该控制策略的直驱永磁同步风力发电机的运行行为进行仿真研究。结果表明,提出的模糊变桨距控制能有效控制发电机转速运行范围,动态滑模控制能使发电机输出平滑的有功功率。与传统最大风能跟踪控制策略相比,所提出的控制方案能有效降低直驱永磁同步风力发电机输出有功功率的波动,控制发电机转速运行范围。     

基于减载功率跟踪曲线切换的风电机组调频策略

变速恒频风电机组通过变流器并网后,机组转速不再与系统频率发生耦合,导致系统总的转动惯量不断下降,严重威胁到了电力系统频率稳定性。根据频率发生变化时减载后的功率跟踪曲线比例系数的变化,提出了一种基于减载功率跟踪曲线切换的风电机组调频策略,并对各风速区间减载控制的具体过程进行了详细的分析,根据给定减载指令和减载策略的不同,对风速区间进行划分,各风速区间采用不同的减载策略（低风速的超速点采用二分法,中风速采用变参考功率的思想,高风速采用牛顿法求解附加桨距角或给定减载功率）。仿真结果表明,所提调频控制策略在保证自身稳定运行的同时,能够提高电力系统的频率稳定性。     

基于Z源逆变器的风电系统全风速功率控制

为了充分利用风能并提高风电系统的稳定性,提出基于Z源逆变器的变速定桨风力发电系统全风速功率控制策略。通过调节直通占空比对电机转速进行控制,实现全风速范围内的功率控制。在最大功率点跟踪(MPPT)阶段,控制发电机转速在最佳值;在恒转速阶段,控制电机转速在其额定值;在恒功率阶段,引入气动功率外环,控制电机进入失速区运行,实现恒功率控制。最后在Matlab中进行仿真验证,仿真结果表明了所提控制策略的可行性与有效性,系统能很好地跟随风速的变化,实现了全风速范围内的功率控制。     

超速与变桨协调的双馈风电机组频率控制

双馈风电机组的有功功率输出无法响应电网频率的变化,并且由于其通常运行在最大功率点跟踪模式下,亦无备用的有功功率支援电网的频率控制。通过提升发电机转子转速和调节桨距角可实现双馈风电机组的减载运行,从而保留部分有功功率作为备用以提升对电网频率的调节能力,但是超速控制和变桨控制在不同工况下,具有一定的工程局限性。为深入挖掘双馈风电机组的调频潜力,提出了一种超速与变桨相协调的调频控制策略。该控制策略根据不同的风速条件,将调频分为低风速、中风速和高风速3种模式,并详细分析了可辨识这3种模式的判据。仿真结果表明,基于文中提出的控制方法,双馈风电机组可以有效提升系统的频率稳定性。     

变速恒频风力发电系统风机转速非线性PID控制

针对变速风机非线性强、转动惯量大、转轴机械阻尼随转速变化的特点,提出了变速恒频风力发电系统风机转速非线性PID(nonlinear-PID, NLPID)控制策略,仿真研究表明,非线性PID控制响应快,超调小,受系统参数变化的影响较小,控制精度高,具有一定的适应性和鲁棒性。此外,该文设计了基于模糊规则切换的模糊PID-PID双模变桨距控制器,在此基础上对变速恒频风力发电系统在全风速范围内的运行进行了数字仿真研究。在高于额定风速时,通过变桨距控制器调节桨距角,系统能较好地将功率限制在额定值附近;在低于额定风速时,通过模糊推理,系统能够在免测风速的情况下给出转速参考信号,实现最大风能捕获或恒转速运行。     

永磁直驱风力发电机组调频策略的研究

风电机组为了实现最大风能捕获,使得发电机转速与电网频率不存在耦合关系,造成了风力发电机组不具备一次调频能力。针对风电机组一次调频问题,本文采用转速控制和桨距角控制策略。转速控制策略通过下垂控制和虚拟惯性控制结合,改变发电机的转速,来调整有功出力。桨距角控制策略通过整定频率和桨距角特性曲线,增大或者减小桨距角,改变有功出力。本文在PSCAD/EMTDC中进行直驱风电机组的模型搭建,进行仿真转速和桨距角控制策略,仿真结果证明频率控制策略的有效性,同时证明通过增加附加频率策略,使风电机组在一定程度上具备一次调频能力。     

Research on individual pitch control below rated wind speed

The structure of the modern wind turbine is becoming larger and more complex, with the wind rotor exceeding hundreds of meters in diameter. The blade shear force is also becoming increasingly serious below the rated wind speed, which leads to structure fatigue loads and instability of the generator power. For improving the dynamic performance of large wind turbines, it was proposed that individual pitch control (IPC) method was operated below the rated wind speed. In this paper, we analyze the relationship between the aerodynamic characteristics of blades and the nonlinear time‐varying pitch control system based on wind shear and the tower shadow effect. The combination of IPC and torque control is used to optimize the control mode of the wind turbine. By fine‐tuning the pitch angle, the unbalanced force on the wind rotor was relieved to achieve the purpose of mitigating fatigue loads. Finally, our experimental results prove the validity of the proposed IPC method below the rated wind speed by showing that it can improve power quality and reduce fatigue loads of the key components without reducing the generator output power. © 2016 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

大型风机的独立变桨控制方法

为了缓解风力发电机组由于风速扰动所造成的疲劳载荷,给出了一种基于RBF神经网络滑模独立变桨控制策略。通过分析风力机的基本特性,提出将RBF神经网络滑模功率控制单元和独立变桨控制单元相结合的控制方式。RBF神经网络滑模功率控制单元通过对发电机电磁转矩及桨叶桨距角的控制来平衡风力机的气动转矩,使风轮保持额度转速,实现稳定风电机组的输出功率的目的。而RBF神经网络独立变桨滑模控制单元通过实时微调风机桨距角,来优化功率控制单元的统一桨距角信号,实现缓解风机结构疲劳载荷的目的。最后,通过建立基于RBF神经网络滑模独立变桨控制的风力发电机组进行相应的仿真与实验,证明基于RBF神经网络功率控制和独立变桨滑模控制相结合的方法具有良好的控制效果,稳定风机输出功率的同时,极大地缓解风机的结构载荷,降低风力发电机组的维护成本。     

兆瓦级风电机组电动变桨距系统测试平台设计

大型变速恒频风力发电机组通常采用变桨距控制技术,使风电机组在额定风速以上输出平稳的功率,从而保证机组安全.电动变桨距系统因其结构简单,易于施加各种控制,可靠性高,在变桨距风力发电机组中得到了广泛应用.文中在分析兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统工作原理的基础上,选择了永磁同步电机(PMSM)作为电动变桨距系统的执行电机,完成了兆瓦级风电机组电动变桨距系统及其测试平台构建方案的设计.测试平台的建设为兆瓦级风电机组电动变桨距系统的性能和可靠性测试提供了一个有效的途径.     

基于TS模糊加权的风电机组变桨距的双模切换优化控制

传统的PID变桨距控制策略存在转速波动较大、变桨的跟随性差等不足。以风速在额定风速以上时,使风力发电机的输出功率稳定在额定功率为研究目标。针对变桨系统的惯性与延迟导致控制过程动态调节时间长、超调量大等问题,提出了基于T-S模糊加权的模糊与PID双模切换优化变桨距控制策略。以Simulink为试验平台,搭建了永磁直驱风力发电机组的变桨控制模型。通过仿真验证表明,所提方法具有模糊控制与PID控制两者的优点,控制输出的桨距角精度更高、响应速度更快、功率更加靠近发电机输出的额定功率。     

Terminal滑模直驱风力发电变桨控制研究

由于风能的随机性和不稳定性的特点,加大了风力发电机组的控制难度。以直驱永磁同步风力发电机组为研究对象,以风速在额定值以上时使风力机输出功率稳定在额定值为研究目标,针对传统变桨距控制存在力矩抖动大,受干扰严重等缺点,提出一种基于Terminal滑模控制的双模控制方法。所设计的控制器采用Terminal滑模控制,控制策略采用功率和转速同时进行控制。利用Matlab/Simulink为实验平台,搭建Terminal滑模直驱风力发电机变桨控制模型,通过仿真验证,此方法与传统的变桨控制方法比较,有输出功率稳定无抖动、无超调、桨距角的变化更加平滑、抗干扰性强等优点。     

Output power control of wind turbine generator by pitch angle control using minimum variance control

Effective utilization of renewable energies such as wind energy as a replacement for fossil fuels is highly desirable. Wind energy is not constant and wind generator output is proportional to the cube of the wind speed, which causes the power output of wind turbine generators (WTGs) to fluctuate. In order to reduce output power fluctuations of wind farms, this paper presents an output power leveling control strategy for wind farms based on both the mean and the standard deviation of wind farm output power, a cooperative control strategy for WTGs, and a pitch angle control method using a generalized predictive controller (GPC) intended for all operating regions of WTGs. Simulation results using an actual detailed model for wind farm systems show the effectiveness of the proposed method. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 154(2): 10–18, 2006; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20247     

Pitch control based on voltage dip detection for improving the LVRT of wind farm

For the stability of power systems including large‐scale generation of wind power, wind farms are expected to fulfill the requirement with the capability to remain connected to the systems during a momentary voltage dip occurring in power networks. This has prompted many utilities to adopt the low‐voltage ride‐through (LVRT) of wind turbine generators (WTGs) as one of the requirements in interconnection of large wind farms. This paper presents a new method of pitch angle control for fixed‐speed wind turbine (FSWT) to achieve LVRT capability improvement. The FSWT is equipped with directly grid‐coupled squirrel‐cage induction generator and the LVRT behavior of such wind turbine is closely related to the overspeeding of wind turbine rotor during voltage dip. If the turbine rotor speed can be reduced quickly during voltage dip so as not to rise over the maximum speed, then the sudden disconnection of WTG can be avoided. The proposed pitch control system can modify the pitch angle in the short response time by the coordination of protective relay. Then the pitch angle is adjusted by a feedback proportional integral controller based on the measurement of induction generator terminal voltage. Simulation study shows that the application of the proposed pitch control system can improve the LVRT performance of a wind farm equipped with FSWTs. © 2011 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

变速恒频双馈风电机组恒功率非线性控制

为了有效减少变速恒频双馈风电机组额定风速以上时的功率和转速波动,提出了一种同时考虑桨距角和双馈感应发电机转子励磁电压调节的新型恒功率控制策略。在分析风力机特性和双馈感应发电机基本电磁关系的基础上,建立了变速恒频双馈风电机组的非线性数学模型,并利用反馈线性化理论设计了非线性控制器。仿真结果表明,所提出的控制策略与现存的仅...     

面向AGC的变速变桨风电机组有功功率控制策略

随着风电的大规模、高渗透率接入电网,未来的电网调度迫切需要风电电源具备传统电源的有功功率稳定输出特性和调节性能。为此,面向自动发电控制(AGC)的风机有功功率控制(APC)已经成为当前风电机组主控策略的研究热点之一。目前,APC的实现方法主要包括基于桨距角调节的功率控制(PAC)和基于转速调节的功率控制(RSC)。基于对风机能量平衡关系的分析,总结了上述2种APC策略的实现原理,并利用FAST软件对控制方法和控制指令进行了仿真比较。仿真表明:相较于PAC方法,RSC方法具有更为平稳的有功功率输出;而且在低风速时,由于利用风轮的动能缓冲,RSC方法能够有效减少变桨机构的动作频率和动作幅度;但在高风速时,2种控制方法都需要频繁的变桨。此外,功率指令的设定对于APC控制效果的影响也是不容忽视的。