基于强风波动条件下永磁直驱风力发电机短期出力稳定控制研究

以Elman神经网络算法的风速预测方法作为基础,建立了单台永磁直驱同步发电机(PMSG)风电机组在强风波动条件下运行的数学模型。该模型能够较好地反映实际风电场风速的随机性和突变性。考虑到传统的出力规律与风电在强风模型下出力规律的映射关系,利用传统的出力规律与风电在强风模型下出力规律之间的偏差作为参考值,并引入对PMSG风电机组桨距角、转速的PI控制策略,基于此并考虑到电网调度对风电机组出力的要求,建立了对单台PMSG风电机组在强风波动条件下短期出力进行控制的模型。进一步利用真实短期风速算例仿真,结果表明该模型能够在瞬时风速为25~35 m/s时对风力机出力进行有效平稳的控制。     

考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制

对于现有基于风轮被动变速的有功功率控制(APC)方法，桨距角改变仅发生在风轮转速达到转速边界时，而且由于其根据反馈控制律调节，被动变速风轮桨距角设定具有很强的随机性。研究发现，桨距角会明显改变被动变速风轮的动态特性，随机设定的桨距角难以适配实际风速的波动范围，引发风轮超速和电磁功率跌落。为此，文中基于不变桨风速范围指标，建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围之间的适配关系，并提出考虑不变桨风速范围的风电机组APC方法。该方法通过增加桨距角设定环节，动态设定适配风速波动范围的桨距角，可克服现有APC方法中桨距角设定的随机性，从而降低风轮达到转速边界的频次，缓解风轮超速和电磁功率跌落。最后，基于风电机组动模实验平台的实验验证了所提方法的有效性。     

变速风力机稳定性研究

大规模变速风电机组并网运行引起的风电场安全问题应给予更多关注。以变速风力机整体为研究对象,分析了风力机稳定性与运行状态、控制策略、发电功率以及风速的关系。针对定功率控制过程中出现的失稳现象,建立了定功率控制过程中的小信号模型,通过研究平衡点的稳定性,近似给出了风力机的稳定运行边界。从物理概念分析了平衡点的稳定性,阐述了桨距角和风速变化引起的风力机失稳过程,并提出了风力机稳定性的判别方法。     

基于并网型双馈感应发电机的风电场暂态稳定性研究

为保障在电网故障或高风速工况下含风电场电力系统仍能稳定运行,提出了一种通过增加桨距角控制来改善并网风电场暂态稳定性的方法,通过调节风轮与风向的夹角,降低风力机的输出功率.研究了基于大规模双馈感应发电机的风电场暂态稳定性.在Matlab/Simulink平台中搭建了具有支撑风电场暂态稳定性的桨距角控制模型和双馈风电机组的风电场模型,通过对包含风电场的电力系统仿真,验证了桨距角控制对风电场暂态稳定性的贡献.仿真结果表明:桨距角控制能够有效降低高风速下风电机组的机械转矩,提高了风电场实现低电压穿越的能力,确保风电机组持续运行及电网安全稳定.     

考虑天气因素的含风电场电力系统的概率潮流分析

概率潮流是分析电力系统不确定性的重要工具.为了有效研究不同天气状况下含风电场电力系统的潮流变化情况,引入三状态天气模型模拟天气状况对架空输电线和风力机强迫停运的影响,并推导出计及风力机出力与风速非线性关系和风力机故障的风电场出力概率模型,以更准确地描述风速波动较大时风电场输出功率的概率特性.采用基于半不变量的概率潮流法求解问题,通过Gram-Charlier级数和VonMises法分别得到待求状态变量的连续部分和离散部分.对IEEE RTS 24节点系统的测试表明:计及风力机出力与风速非线性关系和风力机故障的风电场出力模型是必要且合理的,天气因素对含风电场电力系统的潮流概率分布有重要影响.     

风电场及机组出力损失计算模型与方法

提出了一种风电场及机组出力损失计算模型与方法。利用风电机组的历史运行数据建立风速、风向与功率间的专家数据库,基于该数据库建立风电机组出力损失计算模型,将机组故障或弃风期间的实测风速和风向代入该模型,计算得出风电机组以及该风电场的实时功率损失及在某时间段内损失的发电量。通过利用现场数据模拟计算,验证了该计算模型与方法的有效性,可对各种原因造成的机组出力损失做出准确计算。该方法既可提高风电场的运行管理水平,还可为风电场参与电网调峰调频提供准确的数据支持。     

旋转备用下双馈风电机组初值算法

风电机组运行参数计算是风电系统稳态调度和暂态分析的基础。恒kopt模型常用于最大功率点跟踪方式下双馈感应发电机(DFIG)初值计算,但是其所得发电机转速与风力机最优转速相矛盾,且不适用于旋转备用方式。文中针对DFIG旋转备用下的初值问题,提出了转速约束和出力约束2种算法。前者取转速固定,但不要求是最优转速,风力机捕捉机械功率已知,待求转子和变流器电压、风电机组有功出力,需要与电网潮流联立求解;后者取风电机组功率已知,待求转子和变流器电压、转速(或桨距角)及风力机出力,与电网潮流独立求解。2种算法的有效约束和待求变量数不同,但得到的风力机和发电机转速相符,均适用于风速低于或高于额定风速情况下的旋转备用运行。算例结果验证了所提模型的可行性和正确性。     

旋转备用下双馈风电机组初值算法

风电机组运行参数计算是风电系统稳态调度和暂态分析的基础.恒kopt模型常用于最大功率点跟踪方式下双馈感应发电机(DFIG)初值计算,但是其所得发电机转速与风力机最优转速相矛盾,且不适用于旋转备用方式.文中针对DFIG旋转备用下的初值问题,提出了转速约束和出力约束2种算法.前者取转速固定,但不要求是最优转速,风力机捕捉机械功率已知,待求转子和变流器电压、风电机组有功出力,需要与电网潮流联立求解;后者取风电机组功率已知,待求转子和变流器电压、转速(或桨距角)及风力机出力,与电网潮流独立求解.2种算法的有效约束和待求变量数不同,但得到的风力机和发电机转速相符,均适用于风速低于或高于额定风速情况下的旋转备用运行.算例结果验证了所提模型的可行性和正确性.     

风电场输出有功功率的协调分配策略

传统风电场功率分配多以平均方式为主,未能充分考虑场内机组的个性信息。对此,依据机组出力特性与运行状态信息将场内机组划分为临界出力型、降功率出力型、低风速区型及高风速区型4种类别。在此基础上,提出以桨距角控制与转速控制2种调节方式为手段的风电场输出功率协调分配策略。相比传统方式,该策略充分考虑了各机组的出力特性与运行状态等个性信息,使风电场输出功率调节问题在经济性与安全性方面均达到最优化效果。通过所建Simulink模型仿真分析表明,所提协调分配策略能以较好的效果实现风电场输出有功功率分配的协调与优化。     

定桨距风力发电机组的主动失速控制

定桨距风力发电机组叶片与轮毂直接刚性相联,具有结构简单、可靠性高等优点,尤其适合于海上风电场.文中重新对定桨距机组进行了探讨,采用主动失速控制方法,限制机组在高风速时的气动功率.在介绍主动失速控制工作原理的基础上,分析了切出风速对机组年发电量的影响,指出针对不同平均风速的风电场,需要对机组的切出风速进行优化设计.随后,从主动失速控制的效果出发,对风力机的气动特性设计提出了要求,对定桨距风力机的优化设计有一定的指导意义.最后,建立了一台额定功率为1.5 MW的定桨距永磁直驱风力发电机组的仿真模型,仿真结果验证了主动失速控制的可行性.     

大型风电机组的模糊增益调度PI控制器设计

当风速超出额定风速时,大型风电机组通常采用变桨距的控制方式,通过调整叶片桨距角,改变气流对叶片的攻角,从而改变风电机组获得的空气动力转矩,实现对额定功率的稳定追踪。结合模糊控制与PI（比例-积分）控制,分别设计了模糊PI与模糊增益调度PI 2种变桨距控制器,并在Simulink软件环境下,利用Fast软件提供的5 MW陆基风力发电机模型进行仿真实验。仿真表明,新的控制器能有效缩短调节时间,减小系统超调量,具有较好的控制效果。     

变速与变桨协调的风电机组平滑功率控制

考虑到风电功率秒级波动对电网频率稳定的影响,需要对风电机组输出功率进行平滑控制。现有依靠风电机组实现风电功率平滑控制的方法大都存在频繁变桨的问题。为此提出了协调变速与变桨的平滑功率控制方法。该方法通过分离桨距角的上调和下调动作,将传统的基于变桨调节的恒转速(转速上限)控制转变为转速区间控制,使风轮机能够在任意桨距角下变速运行,从而更大程度地利用风轮机动能来平滑风电功率波动。因此,该方法在保证平滑控制效果的同时,能有效降低变桨动作频率和幅度,并减小变桨伺服机构的疲劳和叶片载荷。最后,基于风电机组模拟器的实验验证了所提方法的有效性。     

直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略

以永磁体励磁多极直驱式同步风力发电机组(directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generators，D-PMSG)为对象，建立了包括风力机模型、传动系统模型和发电机模型的D-PMSG数学模型，提出了风力机桨距角和发电机转速的控制策略：桨距角的控制策略中以风速和发电机功率为输入信号，采用比例–积分控制很好地反映了不同风速对桨距角控制的不同要求；发电机转速控制策略中采用dq同步旋转坐标下的矢量控制方法，用d轴电流控制无功功率，用q轴电流控制转速，既实现了机组的解耦控制，又充分利用了发电机容量。运用Matlab/Simulink建立了D-PMSG仿真模型，对风速阶跃变化时机组运行情况进行了仿真，结果验证了该模型的合理性及控制策略的正确性和可行性。     

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。     

基于模糊RBF神经网络的风电机组变桨距控制

在介绍模糊RBF神经网络基本原理的基础上设计了模糊RBF神经网络控制器,并将其应用于大型变速变桨风力发电机组的变桨距控制中.在风速高于额定风速时,通过控制桨叶节距角来改变攻角从而改变风机获得的空气动力转矩,以实现输出功率稳定在额定值.将该模糊神经网络控制方法和PI控制进行仿真比较,结果表明前者优于PI控制.     

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。     

风力发电机组限功率双重优化协调控制策略

变速变桨风力发电机组在限功率运行时,需要对风力机的桨距角和发电机的转速进行调节,以响应风电场的调度指令。为降低机械部件的疲劳程度,在限功率控制过程中应尽量避免对桨距角进行调节。然而,常用的单纯转速优先限功率控制策略不一定能有效地降低桨距角的调节量和调节次数。针对该问题,提出一种双重优化协调限功率控制策略,首先以桨距角及转速调节量为最小对两者的给定值进行一次优化;然后在此基础上,以减少桨距角动作次数为目标对桨距角的给定值进行二次优化,通过对风力机及发电机的优化协调控制,进一步改善风机的机械疲劳程度。最后,在双馈风力发电机组仿真平台上对所提的优化策略进行仿真验证。结果表明：与转速优先及未进行二次优化的限功率控制方法相比,所提控制策略在满足限功率指令的同时,有效降低了风力发电机组的桨距角调节量和机械磨损量2个重要指标,从而减少机组的机械磨损,延长机组寿命。     

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.     

Sensorless estimation of wind speed by adaptive neuro-fuzzy methodology

The wind speed has a huge impact on the wind turbine output energy and safety. Because of this, many control algorithms use a measure of the wind speed to increase performance. Unfortunately, no precise measurement of the effective wind speed is online available from direct measurements, which means that it must be estimated in order to make such control methods applicable in practice. In this paper, a novel algorithm for wind speed estimation in wind-power generation systems is proposed, which is based on adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS). The inputs of the ANFIS wind speed estimator are chosen as the wind turbine power coefficient, rotational speed and blade pitch angle. During the offline training, a specified model, which relates the inputs to the output, is obtained. Then, the wind speed is determined online from the instantaneous inputs. Neural network in ANFIS adjusts parameters of membership function in the fuzzy logic of the fuzzy inference system (FIS). This intelligent estimator is implemented using Matlab/Simulink and the performances are investigated. The simulation results presented in this paper show the effectiveness of the developed method.     

双馈风电机组低电压穿越主控系统控制策略

分析了1.5 MW 82 m风轮机型双馈风电机组的桨距角控制原理。应用GH BLADE软件,建立了机组模型,计算了桨距角由0°~20°、叶尖速比为3~14.7的力矩系数。给出低电压穿越状态的传动链受力及叶片可能调整的最大角度。提出不同风况下进入低电压穿越时,基于EFC方式和桨距角给定方式的控制策略和有功功率恢复策略。仿真计算说明通过调整叶片的桨距角减小气动力矩输入,可以实现低电压穿越过程机组转速的平稳过渡,通过回调叶片桨距角与快速给定有功功率的同步操作,减小低电压穿越结束时的功率振荡。110 kW小功率试验台试验及1.5 MW双馈机组现场试验说明控制策略能够满足不同风况下,双馈机组低电压穿越过程转速及功率恢复的控制。