直驱式风电机组功率控制系统优化建模仿真北大核心CSCD

为使风电机组的实际输出功率最佳,提高风能的利用率,采用风电机组最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT),就是控制风力机在不同风速下的转速跟踪最优参考转速。但现有的MPPT控制策略虽然能实现最大功率点的快速,稳定跟踪,但控制精度过度依赖风速,功率等参数的准确测量。为了更好的实现最大功率点的快速有效跟踪,提出了模糊变步长MPPT算法,利用模糊推理的方法得到永磁同步风力发电机组的参考转速。通过对金风1.5MW直驱式风电机组进行仿真研究,结果表明改进控制算法能够使风电机组快速根据风速变化实现最大功率点跟踪,特别是与变桨距系统联合后,控制效果更加显著。     

基于负载观测的最大风能跟踪控制

研究风力发电机风能优化控制问题,由于风轮系统存在非线性,为了实现最大化捕获风能,设计了基于耗散系统理论框架的L2范数优化鲁棒速度控制器,有效克服系统参数变化带来的系统不确定性的影响;并为克服大惯量风轮转矩变化对风速跟踪的不良影响,设计了一个负载观测器,在线观测风轮转矩,对风轮转矩的动态变化进行补偿,实现了风速动态跟踪控制,提高了风能转换效率.以1.5MW直驱永磁风电机组作为研究对象,进行了仿真,结果表明,控制策略可以有效地实现最大风能跟踪控制,并且对于干扰具有较强的鲁棒性,为风力发电优化设计提供了依据.     

低风速风力机最大风能追踪的互补滑模控制

针对风力机系统在最大功率点跟踪(MPPT)阶段易受风速等不确定因素的影响,为了进一步提高风力机的风能捕获效率,本文在滑模控制的基础上提出了一种互补滑模控制方法.首先,建立了含有干扰项的风力机系统的线性化模型,采用广义滑模面与互补滑模面相结合的方法设计了互补滑模控制器,并在理论上证明了此控制方法能够有效保证风力机转速跟踪误差的收敛性,且能提高转速跟踪精度.其次,采用风力机专业仿真软件FAST对美国可再生能源实验室(NREL)的600 kW风力机进行了仿真实验,结果表明本文所提出的控制方法不但能提高风力机的风能捕获效率,而且能有效减小转速跟踪误差.最后,将本文所提方法与现有常见的几种控制方法相比较发现:风力机系统在互补滑模控制策略下,具有更高的风能捕获效率和更小的转速跟踪误差.     

改进型双馈风力发电机最大功率点跟踪策略

针对传统双馈风力发电机最大功率点跟踪极值搜索策略将正弦信号作为搜索信号而很难将正弦信号从总的输出信号中区分出来的问题,提出了一种利用风湍流作为极值搜索信号的改进型最大功率点跟踪策略。该改进策略对叠加风湍流的叶尖速比和功率系数进行傅里叶变换,获得相位差信息,从而确定叶尖速比变化方向,使双馈风力发电机达到最佳运行工作点。仿真结果表明,该改进策略可控制风力发电机转速较好地跟踪风速变化,实现了额定风速以下运行区域的最大风能捕获。     

基于二阶滑模控制的变速双馈风力发电系统最大功率点跟踪

本文提出一种超螺旋二阶滑模控制方案同时实现双馈变速风力发电系统最大风能捕获和无功功率调节.通过设计两个二阶滑模控制器,实现控制目标,降低机械磨损,提高控制精度,通过调节发电机转子电压,跟踪风机最优转速和转子电流设定值,实现额定风速以下的最大风能捕获和无功功率调节.采用二次型李雅普诺夫函数确定控制参数范围、确保系统有限时间稳定性.1.5 MW风机系统仿真实验验证所提方案有效性.     

风力发电技术与功率控制策略研究

对风力发电技术进行综述,分析研究了变速恒频双馈风力发电机组实现风能最大捕获的功率控制策略,即当风速在切入风速和额定风速之间时,控制发电机转子励磁电流及频率,追踪最佳功率曲线;在额定风速和切出风速之间时,调节风力机叶片桨距角,保持额定功率不变.研究表明,基于风速的功率控制方法,提高了风力发电机组风能利用效率;同时,基于风向标和输出功率的偏航控制策略,能缩短风力机对风时间,提高风力机对风精度和使用寿命.     

基于估计的风力机最大功率跟踪控制

在额定风速以下,变速恒频风力发电机组应采用可靠控制策略,保证最大风功率跟踪;在不估计风速的情况下,提出一种风力机最大功率跟踪方法;首先,利用状态观测器和非线性扩展卡尔曼滤波,估计风力机最佳转速,采用PI控制器给出风力机转矩估值;其次,以风力机转矩、转速估值为输入,采用风力机转矩前馈控制,在计算风力机最优转速后,给出发电机转矩控制量,从而实现低风速时的最大功率跟踪;在Matlab/Simulink软件上搭建了仿真平台,仿真验证了估计的有效性和控制的正确性。     

变桨距风力发电机组恒功率反馈线性化控制

在额定风速以上时,为保证风电机组的安全稳定运行,需要降低风力机捕获风能,使风力机的转速及功率维持在额定值,基于微分几何反馈线性化方法,提出变桨距风力发电机组恒功率控制策略.建立了风力机的仿射非线性模型,采用微分几何反馈线性化变换实现全局精确线性化;根据新的线性化模型,以风力机转速为输出反馈变量,叶片桨距角为输入控制变量,设计桨距角控制器;在风速高于额定值时调节风力机维持在额定转速,从而实现额定风速以上的恒功率控制.仿真结果表明,所提控制策略能较好地解决变桨距风力发电机组额定风速以上的恒功率控制问题,控制方法具有较好的适应性和鲁棒性.     

基于模糊控制和功率控制的风电偏航研究

就整个风电系统来说控制技术是机组高效稳定运行的关键,而偏航控制系统是水平轴风电机组控制系统的重要组成部分.风力发电机的偏航系统是一个典型的非线性系统,且难以建立精确的数学模型.针对风向变化的随机性和不确定性等特点,将模糊逻辑控制技术和功率控制相结合设计了控制器,实现了对风过程可控,能够准确跟踪风向,完成了最大捕获风能的控制策略.利用MATLAB进行仿真,证明所确定的方法符合偏航系统的控制要求,由仿真图可以看出,效果良好,具有较高稳定性、可靠性等.     

基于有效风速估计与预测的风电机组自适应最大风能跟踪控制

针对如何在有效风速未知情况下实现风电机组最大风能跟踪(MPPT)的问题,本文使用支持向量回归(SVR)和自适应控制原理,提出基于有效风速估计与预测的自适应MPPT控制方案.首先,使用机组的历史运行数据,训练得到基于SVR的风速估计与预测模型,为MPPT控制提供实时参考输入.其次,结合在线学习估计器(OLA)和减小转矩增益(DTG)控制原理,设计自适应MPPT控制器,该控制器能够较好应对系统未知动态特性和干扰,且能降低传动链载荷.最后,使用李雅普诺夫原理证明闭环系统所有信号都是有界的.仿真结果表明本文提出的方法能够获得良好的MPPT效果,进而提高机组产能.     

Variable Parameter Nonlinear Control for Maximum Power Point Tracking Considering Mitigation of Drive-train Load

Since mechanical loads exert a significant influence on the life span of wind turbines, the reduction of transient load on drive-train shaft has received more attention when implementing a maximum power point tracking (MPPT) controller. Moreover, a trade-off between the efficiency of wind energy extraction and the load level of drive-train shaft becomes a key issue. However, for the existing control strategies based on nonlinear model of wind turbines, the MPPT efficiencies are improved at the cost of the intensive fluctuation of generator torque and significant increase of transient load on drive train shaft. Hence, in this paper, a nonlinear controller with variable parameter is proposed for improving MPPT efficiency and mitigating transient load on drive-train simultaneously. Then, simulations on FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence) code and experiments on the wind turbine simulator (WTS) based test bench are presented to verify the efficiency improvement of the proposed control strategy with less cost of drive-train load.      

Asymptotic Tracking Control for Wind Turbines in Variable Speed Mode

This paper presents a variable speed control strategy for wind turbines in order to capture maximum wind power. Wind turbines are modeled as a two-mass drive-train system with generator torque control. Based on the obtained wind turbine model, variable speed control schemes are developed. Nonlinear tracking controllers are designed to achieve asymptotic tracking for a prescribed rotor speed reference signal so as to yield maximum wind power capture. Due to the difficulty of torsional angle measurement, an observer-based control scheme that uses only rotor speed information is further developed for global asymptotic output tracking. The effectiveness of the proposed control methods is illustrated by simulation results.      

自适应变步长最大风能捕获算法

风能具有随机性、不稳定性的特点,为了提高风力发电系统中风能的利用效率,在比较各种最大风能捕获算法的基础上,分析了爬山搜索法和叶尖速比法的不足,提出了自适应变步长搜索算法来捕获最大风能.通过改进爬山搜索法的变步长策略,明显加快了搜索速度,通过引入初始估计叶尖速比值,大大缩小了搜索范围.该算法不需要实时检测准确风速,不依赖风力机最佳功率曲线,有效地降低了成本,提高风力发电的效率.文中重点分析了算法的自适应性和变步长策略,仿真结果表明,该算法能够使风力机更快速到达最大功率点,动态响应快,收敛性好.     

Output feedback control of wind energy conversion system involving a doubly fed induction generator

This paper deals with the problem of controlling a wind energy conversion system (WECS) based on the doubly fed induction generator (DFIG), by IGBT‐based back‐to‐back rectifier‐inverter. The goal of control is to maximize wind energy extraction letting the wind turbine rotor operate in a variable‐speed mode. Interestingly, the present study features the achievement of the above energetic goal without resorting to sensors for wind velocity. The control strategy involves: (i) an output feedback non‐linear regulator designed by the backstepping technique and based on the use of a high gain observer; (ii) a sensorless online reference‐speed optimizer designed using the turbine power characteristic to achieve the maximum power point tracking (MPPT) requirement. It is formally shown that the proposed controller actually meets its control objectives. This theoretical result is confirmed by several simulations.     

分段变步长MPPT算法在风力发电系统中的应用

针对传统定步长爬山搜索(HCS)法在风力发电系统最大功率跟踪(MPPT)控制过程中的快速性和准确性矛盾,提出了一种基于爬山搜索法和模糊控制的分段变步长MPPT算法.该算法根据发电机P-ω特性曲线对最大功率点(MPP)跟踪过程进行分段,使系统能够根据工作点所在的区域选择合适的跟踪算法和步长完成最大功率跟踪.在Matlab/Simulink中分别对提出的模糊分段变步长算法和传统爬山搜索法进行了仿真.仿真结果表明:所提算法明显地改善了系统跟踪MPP的速度和稳态精度,在MPPT方面明显优于传统的爬山搜索法.     

基于LabVIEW的风力机最大功率点跟踪仿真研究

基于风力机的发电效率因环境风速变化而改变,本文选用LabVIEW为仿真平台建立风力机最大功率点的追踪系统。首先根据风力机的风能捕获输出功率公式,在LabVIEW平台上搭建了风力机系统模块、风力机控制模块、风轮转速调节模块、风速变化判断模块等。为了弥补传统扰动法存在的追踪精度等问题,利用变步长的扰动观测法对输出功率进行最大功率点追踪,使风力机的输出功率保持在最大输出功率。实验结果表明该系统在不同的仿真风速环境下,能有效的追踪风力机最大输出功率点。     

一种实现风力机MPPT控制的加速最优转矩法

最优转矩法因其所需测量状态较少、易于实现的特点,被广泛应用于风力机的最大功率点跟踪(Maximum power point tracking, MPPT)控制. 传统的最优转矩法只考虑系统的稳态工作点,依靠系统本身的特性进行转速调节,在一定程度上限制了转速调节速度. 本文使用滑模变结构控制的思想,在最优转矩法的基础上设计得到 一种变结构控制器,增大了转速跟踪过程中的不平衡转矩,缩短了系统的调节时间. 仿真结果表明本文提出的改进方法可以获得良好的转速跟踪效果,从而提高风力机的风能捕获效率.     

Adaptive backstepping control of variable speed wind turbines

Variable speed wind turbines maximize the energy capture by operating the turbine at the peak of the power coefficient, however parametric uncertainties in mechanical and electrical dynamics of the system may limit the efficiency of the turbine. In this study, we present an adaptive backstepping approach for the variable speed control of wind turbines. Specifically, to overcome the undesirable effects of parametric uncertainties, a desired compensation adaptation law (DCAL) based controller has been proposed. The proposed method achieves global asymptotic rotor speed tracking, despite the parametric uncertainty on both mechanical and electrical subsystems. Extensive simulation studies are presented to illustrate the feasibility and efficiency of the method proposed.