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。     

基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略

通常双馈风电机组运行在最大功率点跟踪模式下,发电机功率输出难以响应电网频率波动,亦无备用有功功率支撑电网频率控制,风电渗透率的提升使得系统的等效时间常数降低,并且系统频率调节压力增大,从而弃风现象严重。传统超速减载控制通过保留部分有功备用参与系统调频,但存在风电机组发电效益降低、转速调节范围减小及桨距角控制起动频繁等问题。为此提出了基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略,为储能装置在新能源机组渗透率逐渐加大的背景下提供了新的应用思路,同时综合考虑储能装置容量优化配置问题,设计出一套最高放电效率下成本最低的超级电容储能装置。相比传统超速减载控制预留备用容量的一次调频方式,通过经济性评估可知,具有较强的经济优势,仿真分析可得到在源荷随机波动场景下,其发电效益接近于最大功率跟踪模式,明显高于超速减载控制模式,同时还具有明显优于传统超速减载控制的一次频率调节能力,且无需进行桨距角调节。有利于延长变桨系统的寿命,提高其运行的安全性和可靠性。     

基于运行数据的风力发电机组功率特性分析

针对实际1.5 MW风电机组,通过获取反映机组运行性能的实测风速、功率等数据,采用Bin方法对数据进行处理后,获得风电机组的功率曲线,并将其推广到机组风能利用曲线的提取。通过计算得到了2台机组的实际运行功率曲线、风能利用曲线及其标准差值,对风电机组的运行性能进行了对比分析和评估     

基于可变下垂线的变速风电机组参与微网频率调节控制

随着风电在电网中所占比例的提高,当电网频率变化过大时希望风电机组改变输出功率参与电网频率调节,改善频率的动态特性。为了应用电力系统中广泛采用的有功功率–频率下垂控制策略,依据风电机组输出功率和微网频率为风电机组参与频率调节构筑下垂线,当风速变化引起风电机组输出功率变化时下垂线随之改变。微网频率在正常范围内波动时风电机组采用常规最大功率点跟踪或者限功率模式运行,频率变化过大时风电机组切换至频率支撑控制模式,频率支撑期间风电机组输出功率目标值基于构筑的下垂线根据微网频率计算求得,频率支撑结束后,通过逐渐改变风电机组输出功率使机组恢复至频率支撑前的正常运行模式。采用HAWC2和MATLAB/Simulink搭建包含变速风电机组的集成仿真模型,仿真结果对所提出控制策略的有效性进行验证,并且对执行提出的控制策略对风电机组结构载荷的影响进行分析。     

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。     

面向电网最大频率偏差的风电机组短时频率支撑最优策略与机理

当电网出现有功缺额并导致频率跌落时,风电机组可以通过释放自身轴系动能为电网提供短时频率支撑(short-term frequency support,STFS)。如何利用有限的风电机组轴系动能最大限度地支撑电网频率,是当前研究的热点问题。针对风电机组可释放动能和电网频率变化率约束下的电网最大频率偏差最小化问题,该文提出一种基于有功功率互补控制(active-power complementation control,ACC)的风电机组STFS策略,揭示STFS过程中风电机组的最小动能释放机理,并证明采用ACC释放全部轴系动能的STFS策略为上述问题的最优解。最后,基于含风电的电网动模实验平台的实验结果验证该文提出STFS策略的可行性与频率支撑效果。     

面向风电机组有功功率控制的风轮变速运行模式比较研究

电力系统迫切需要风电机组(简称风机)从最大功率点跟踪控制转变为支撑电网二次调频的有功功率控制(active power control,APC)。延续最大功率点跟踪控制的设计思路,现有风机APC控制研究大多基于系统稳态的视角,将风机控制到稳定平衡点,在稳定平衡点处响应电网指令和维持机电动态稳定。但面对湍流风速,大惯量风轮实际上处于不断变速的动态过程中,而非持续运行在稳定平衡点处,对APC控制性能造成不容忽视的影响。为此该文从现有风机APC控制策略中归纳出两种风轮变速运行模式：主动变速和被动变速,两者对应于截然不同的变速机理和动态过程。运用频域分析和实验数据分析,比较了两种变速运行模式在功率指令响应性能、传动链载荷及变桨执行机构疲劳载荷方面的差异。结果表明,被动变速放弃了对稳定平衡点的跟踪,利用风轮惯性响应缓冲风速波动,更适用于湍流风速场景。该文工作为风机APC控制设计与性能优化提供了风机运行机理方面的基础。     

基于功率平衡控制原理的双馈风电机组辅助调频方法

高比例的风电并网给电网的功率平衡与频率稳定带来了严峻的挑战,如何充分发挥变速风电机组的有功备用潜力,研究风电场快速可控的调频控制方法成为提高风电消纳能力的关键问题。提出适用于全风速工况的变速变桨距风电机组的改进型有功控制策略,有效地实现了风电场响应电网功率调度指令减载运行并提供旋转备用。考虑风电场分散接入场景,针对机组跳机和负荷脱网等可监测的、大容量的单一扰动/故障事件,基于功率平衡控制原理提出风电场的辅助调频协调控制新方法,在电网功率发生突变时,根据风电场与扰动节点的最短电气距离,合理启动和分配不同风电场的紧急功率控制容量。仿真结果表明,所设计的风电场有功-频率控制方案能从降低暂态频率偏差幅值及减小频率恢复时间两方面,有效地提升系统发生扰动后的频率稳定性。     

计及系统备用约束的风电场功率优化控制研究

具备一定的备用容量是电力系统安全稳定运行的基础,但风电场并网后会增加系统的备用容量压力,因此需对考虑系统备用约束的风电场功率优化控制进行研究.在对风电机组降载运行模式的有功调节与备用能力分析的基础上,在满足系统备用等相关安全约束的前提下,建立了考虑风电机组降载运行的风电场功率优化控制数学模型,并提出了改进的遗传粒子群融...     

风电场有功功率聚合特性分析及控制策略优化

以内蒙古某风电场为研究对象,分析聚合风电机组数量及风电机组间功率相关性对风电聚合功率波动的影响,并根据风电场实际风速、机组位置与机组功率之间的关系,得出风电场机组间的功率相关性数据序列。通过不进行任何爬坡控制、风电机组按14%额定容量设定功率爬坡量以及考虑聚合特性的机组互补三种控制办法进行计算对比,表明本文提出的风电场有功功率聚合特性控制优化策略能够在满足风电场有功功率爬坡要求的同时,提高风电场功率输出的稳定性,减少弃风限电量。     

利用转子动能的风机辅助频率控制最优策略

风机增加辅助频率控制模块是解决新能源取代同步机导致的电力系统频率安全问题的一种方案,其中利用转子动能的调频模式可以使风机运行在最大功率点,经济性比功率备用模式更好。已有研究主要让风机通过虚拟惯量和频率下垂控制模拟同步机,却未充分利用风机控制灵活、可塑性强的优点,且未考虑风机转子动能限制及系统频率二次跌落。论文跳出虚拟惯量加频率下垂控制的传统框架,提出利用转子动能的风机辅助频率控制最优策略。首先将风机输出功率曲线作为决策变量,通过优化得到最优功率曲线,然后设计对应的辅助频率控制策略,实现最优输出功率曲线。仿真结果验证所提策略的效果,并说明风机辅助频率控制不应局限于模拟同步机,而是有更优的策略。     

一种小型永磁同步风电系统最大功率跟踪控制方法

通过对新型小型风力发电系统分析,提出了一种最大功率跟踪控制的方法.通过控制新型永磁同步发电机的电磁转矩,间接地控制风力机的机械转矩,使风力机在额定风速以下以最佳尖速比运行,自动跟踪其最大功率点.对系统进行了仿真,结果表明,控制方法是切实可行的.     

并网双馈异步风电机组模糊自适应控制

介绍了双馈感应风力发电系统运行的基本原理。在变风速下,根据最大功率跟踪控制原理,利用发电机输出功率误差和发电机的转速误差,提出用模糊控制器代替风速测速仪来跟踪发电机的最佳转速,保证在额定风速下,使风机运行在最佳叶尖速比,风能利用率最佳,避免了湍流塔影等因素对风速测量的影响。同时,在外环功率PI调节器中,引入模糊控制来提高在额定风速下双馈感应发电机功率解耦的快速跟踪。最后,通过对整个风电系统包括风力机、双馈感应电机(含网侧及转子侧变换器)、控制器(含网侧及转子侧控制器)进行建模及仿真来验证模糊控制策略的可行性。     

Microgrid dynamic responses enhancement using artificial neural network‐genetic algorithm for photovoltaic system and fuzzy controller for high wind speeds

The microgrid (MG) is described as an electrical network of small modular distributed generation, energy storage devices and controllable loads. In order to maximize the output of solar arrays, maximum power point tracking (MPPT) technique is used by artificial neural network (ANN), and also, control of turbine output power in high wind speeds is proposed using pitch angle control technic by fuzzy logic. To track the maximum power point (MPP) in the photovoltaic (PV), the proposed ANN is trained by the genetic algorithm (GA). In other word, the data are optimized by GA, and then these optimum values are used in ANN. The simulation results show that the ANN‐GA in comparison with the conventional algorithms with high accuracy can track the peak power point under different insolation conditions and meet the load demand with less fluctuation around the MPP; also it can increase convergence speed to achieve MPP. Moreover, pitch angle controller based on fuzzy logic with wind speed and active power as inputs that have faster responses which leads to have flatter power curves enhances the dynamic responses of wind turbine. The models are developed and applied in Matlab/Simulink. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Maximum power control system for small wind turbine using predicted wind speed

This paper describes a novel approach of maximum power control for small wind turbines by using predicted wind speed data. Because of the moment of inertia of the wind turbine, when using conventional control method, the time lag of control will occur due to turbulence in the environment. Our proposed control system uses future information, which is the predicted wind speed, for wind turbine control. The control algorithm creates a reference trajectory of the rotational speed of the wind turbine. The advantage of using the predicted data is that the controller can operate the wind turbine efficiently so that the rotational speed of the wind turbine catches up with the reference speed at the maximum power point. Simulation results show improvement of generation efficiency compared to the conventional control method. Then we discuss the influence of the prediction error of wind speed on control performance. © 2014 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

HCS策略在大惯性变速风力发电系统中的应用

大惯性风力机的系统输出功率与风力机的机械功率和储能的变化率相关联,常规的登山搜索(HCS)控制策略无法对大惯性风力机进行有效控制。提出的HCS策略是根据系统输出功率、系统储能及转速三者的变化量来对风力机进行控制的,无需最大功率曲线和风速值,就可以使风力机运行在最大功率点上。仿真结果证明了该方法的正确性。     

静止同步补偿器增强风电场的低电压穿越能力的应用分析

提出利用静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)快速补偿无功功率以增强双馈式风电机组和直驱式风电机组的低电压穿越能力.首先阐述了风电机组的动态模型,然后给出了STATCOM控制模型,最后将STATCOM装置应用到合风电场的电力系统中,比较加装STATCOM前后母线56和母线12的电压以及风电机组输出功率的变化情况.仿真结果表明,STATCOM能有效地帮助风电机组在电网发生故障后恢复机端电压和故障点电压,并防止风电机组输出功率振荡,使风电场在故障发生后能保持连续运行,增强了风电机组的低电压穿越能力.     

A New Three-mode Maximum Power Point Tracking Algorithm for Doubly Fed Induction Generator Based Wind Energy Conversion System

This paper proposes a new algorithm for maximum power point tracking of a wind energy conversion system, which is based on a doubly fed induction generator. The algorithm has three modes. In the first mode, the maximum power point is tracked and also the output power is smoothed. Once the turbine operating point reaches the optimal point, the second mode is activated to fix the speed of the turbine. In addition, this mode has a self-tuning capability. When the turbine operating point is far from the optimal value, the third mode is activated. In this mode, the optimal power curve along with the fuzzy logic is used to bring the turbine operating point rapidly to a point near the maximum power point. To verify the accuracy of the proposed algorithm, a large wind energy conversion system is simulated, and the simulation results are compared with the perturbation and observation algorithm.     

直驱永磁同步风电机组在全风速范围内的控制策略研究

为实现直驱式永磁同步风电机组在全风速范围内的高效、稳定运行,提出了一种基于最优转速给定的最大功率点跟踪控制策略与一种变桨距控制策略。当风速波动时,发电机转子转速的参考值将根据风电机组运行状态的不同选择不同的计算方式,使得风力机功率系数最大或稳定在额定转速不超速。而桨距角的大小将根据发电机的输出功率变化,当输出功率小于额定值时保持为0,大于额定值时增大使得输出功率稳定在额定值附近。最大功率点跟踪控制系统及桨距角控制系统都以发电机的输出功率大小作为控制方式的切换条件,无需复杂的切换规则。在Matlab/Simulink仿真平台上全风速范围内的风电机组的运行结果验证了所提出的控制策略的正确性与有效性。     

A maximum power point tracking control method suitable for compact wind power generators with the passive self‐pitch‐controlled blade structure

This paper describes a maximum power point tracking (MPPT) control method for propeller‐type compact wind power generators with passive self‐pitch‐controlled blades, which quickly makes the output current and voltage converge on the maximum power point based on wind speeds detected from an anemometer. The voltage and current output from these wind power generators vary with wind speeds at locations such as the roofs of buildings. Transient characteristics of the voltage output from compact wind power generators have two modes because of the self‐pitch‐controlled blades: mode I in which the output voltage hardly increases and mode II in which it rapidly increases. Thus, in order to acquire the generated power effectively, irrespective of how the wind speeds may change, a method to perform the MPPT control while searching for mode II is needed. Thus, by judging the mode from the change of the sign of the time differential of the voltage deviation between sampling times, the MPPT control method proposed here makes the output current converge on the maximum point using relationships between the maximum power and optimal current which give the maximum power and the wind speed. Effectiveness of the proposed MPPT control method is verified through simulations and experiments using a wind tunnel. IEEJ Trans 2010 DOI: 10.1002/tee.20609