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。     

基于模糊评价的风电场有功功率分配算法

按风速权重风电场有功功率分配算法存在有功功率输出波动大、桨距角频繁调节的问题,为此本文提出一种基于模糊评价的风电场有功功率分配算法。将风电机组限功率运行分为变速、变速变桨和变桨三个运行区,以风电机组的桨距角、转速和风速为输入,通过分区域模糊推理,得到风电机组的健康度和调节能力,最终采用按能力权重分配算法得到风电机组有功功率给定。仿真结果表明,基于模糊评价算法的风电场有功功率输出平滑,风电场机组转速变化和桨矩角变化都较小。     

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。     

基于C_p函数初值模型的并网DFIG稳定性分析

双馈异步风电机组初值模型影响并网双馈异步风电机组稳定性分析结果的可信度。现有恒机械功率(P_(wt))模型未考虑转速变化对机械功率的影响,恒最优功率系数(k_(opt))模型不适用于转速限制、桨距角控制等降额运行状态。本文提出基于风能利用系数(C_p)函数的并网双馈异步风电机稳定性分析模型,其中初值模型的风速、转速与桨距角皆为可控变量,实现了不同转速、调度出力与桨距角条件下双馈异步风电机组初值求解与大/小扰动的稳定性分析。将C_p模型得到的稳定性分析结果与现有恒机械功率及恒最优功率系数模型进行对比,分析现有模型误差可发现,恒机械功率与恒最优功率系数模型的机械功率误差会导致降额运行时转速初值误差,降低大扰动下转速与机端功率动态仿真结果精度,机械转矩的误差也会影响小扰动稳定性分析结果。     

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。     

多变量风电机组功率曲线建模与监测研究

功率曲线能够反映风电机组的发电效率和运行状态,采用运行数据对其进行建模和监测能够及时发现机组运行异常和性能劣化。国际标准IEC61400-12-1中的比恩斯方法,仅将风速作为功率的影响因素且采用风速分区求风速功率平均值,建模精度较低。详细分析了影响风电机组风能捕获的因素,并将其作为功率曲线模型的输入变量。采用适合随机数据建模的Cholesky分解改进高斯过程方法建立多变量功率曲线模型,并进行了验证。引入序贯概率比检验方法,在监测阶段分析和捕捉模型预测功率残差的异常变化,并及时发出机组运行异常报警,然后通过机组自身数据纵向比对和不同机组之间数据横向比对,分析排查确定风电机组运行异常原因。以安徽某风电场1.5 MW实验机组为例,采用所提方法及时准确发现了由于风速计故障导致的机组发电性能异常,验证了所提方法的有效性。     

改进的风电机组转矩控制策略

风电机组的变桨控制和转矩控制均基于转速信号设计，二者在额定转速附近发生耦合，造成转速波动，传统转矩控制将依据转速频繁进行控制逻辑切换，致使转速、功率大幅跌落；且在额定风速以上，传统转矩控制包含恒转矩和恒功率策略，二者在转矩、功率、传动链载荷方面各有优劣。为此，引入与桨距角相关的状态变量对转矩控制在额定转速附近的区域切换逻辑加以限制，并将转矩-转速控制曲线中的功率满发曲线段扩充到发电机额定转速以下的区域，以消除因转矩控制的区域频繁切换引起的转矩和功率跌落；然后，对转矩-转速控制曲线中的功率满发曲线段进行权值规划，兼顾风电机组额定转速附近的功率、转矩波动性能，并对连接最佳叶尖速比曲线段和功率满发曲线段间的过渡曲线进行动态优化。在典型湍流工况下对所提出的方法进行仿真验证，结果表明：改进的转矩控制策略提升了额定风速附近的风能捕获效率，消除了高风速区发电机转矩和功率跌落现象，合理地权值规划能兼顾转矩和功率性能。     

基于输出功率特性的风电机组状态监测

基于SCADA系统中风速、变桨角度、风向角与机舱角偏差、发电机输出有功功率等运行数据,采用改进BP神经网络建立风电机组输出有功功率模型,根据发电机输出功率特性对风电机组进行状态监测。风电机组正常运行时,改进BP神经网络模型的预测输出功率与正常的功率输出之间的残差较小;当模型的预测输出功率与正常的功率输出之间的残差超出残差阈值时,则认为风电机组出现了故障。本文对某风电场真实桨叶断裂故障进行了仿真验证。     

基于数据驱动的风电场有功功率分配算法

针对常规风电场有功功率分配中,通过风速评价机组的功率调节能力不准确的问题,提出一种基于数据驱动的风电场有功功率分配算法。首先,采集不同风速下风电机组转速和桨距角数据,利用Takagi-Sugeno模糊模型和变异系数法评价变速系统和变桨系统参与功率调节的相对权重系数,确定机组的功率调节能力。然后,完成基于机组调节能力的风电场有功功率分配。最后,在MATLAB仿真平台上完成含有10台风电机组的风电场有功功率分配。仿真结果表明,与按风速权重有功功率分配算法相比,所提分配算法的风电场有功功率波动小,风电机组的转速和桨距角变化较为平滑,且高风速机组的载荷小。     

兆瓦级风电机组叶片延长载荷分析及平稳运行控制方法

为提高已建成风场中风电机组的发电效益,风电机组叶片延长是其有效途径之一。然而,叶片延长后风电机组易受到不同湍流强度扰动而导致机组极限载荷大幅变化,甚至损伤。首先从叶根、轮毂与塔基三个部位分别分析了湍流对风电机组的极限载荷变化。针对中低风速区间高湍流风况导致机组变桨频繁与功率输出不稳定的问题,采用桨距角控制与转速优化相结合的主动减载控制策略,通过预留出一部分转子转速以应对减载后的湍流现象,减轻变桨系统的负担。实验结果表明,在减载25%的情况下,所采用控制策略能够使桨距角基本稳定在2.5°左右,有效地减缓了湍流波动对桨距角,为使用叶尖延长等技术的风电机组稳定运行提供了一定的理论基础。     

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。     

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.     

计及有功备用的双馈感应发电机组功率优化控制

风电机组有功备用控制及其协调方法的研究,是解决高渗透率间歇式新能源接入条件下的电网稳定问题及提高风电消纳能力的有效途径。结合超速法和变桨法的优势,提出一种改进型协同有功控制策略。中低风速下通过优先加速转子对弃风能量进行储存,同时判断转速是否到达额定来启动桨距角调整,进而嵌入附加转速控制和桨距角控制环节设计了双馈感应发电机新型功率控制系统。在风机并网运行时,利用功率控制指令和风机功率输出的差值信号进行风机转速调节,从而实现风机机组快速有功调整及备用调用。最后通过仿真算例验证方法的有效性和适用性,并对风机备用能力进行分析。     

变速风力发电机组调频控制策略研究

根据变速风力发电机组的运行特点,提出一种调频备用功率控制策略。在正常情况下,调整机组最优功率-转速曲线,使机组运行在次优功率捕获曲线上,减少一部分有功输出,留作调频备用功率;当系统频率变化时,通过调节桨距角和机组有功功率参考值,改变风电机组有功输出,参与系统频率调整。通过一个具体仿真算例分析了风电机组增加惯性响应控制、一次调频控制与备用功率控制等多种控制环节对系统频率的调节作用,并研究了当频率突变时有无AGC控制对风电机组调节特性的影响。     

基于状态估计的风电机组液压变桨距系统故障检测

液压变桨距系统是风电机组的高频故障部件之一,对其进行早期故障检测,可以有效地提高风电机组运行的可靠性,减少不必要的经济损失。风电机组所受环境因素干扰较多,而基于数据的故障检测方法易受这些因素的影响造成误报警,并且故障分离较为困难。因此,本文提出基于状态估计的方法对风电机组液压变桨距系统进行故障检测。首先,构建风电机组液压变桨距系统的状态空间模型及其状态观测器,利用液压变桨距系统模型的实际输出与状态观测器输出产生残差;其次,将残差的均方根作为残差估计函数,并配合自适应阈值进行决策。最后,以液压变桨距执行机构故障和节距角传感器故障为例,通过仿真验证了该方法的有效性。     

模糊前馈与模糊PID结合的风力发电机组变桨距控制

大型变桨距风电机组在额定风速以上通常采用PID控制器调节机组桨距角以达到功率恒定的目的,但由于从额定风速到切出风速之间的风速变化范围很大,一组固定的PID参数难以在不同风速下均有好的控制效果。该文在分析PID变桨距控制器缺点的基础上,提出模糊前馈与模糊PID结合的新型变桨距控制方法。模糊PID控制器能够保证在不同风速下均有较好的控制结果,而模糊前馈控制器则能够根据风电机组的桨叶气动特性,在额定风速以上的不同风速段,根据风速给出不同的适当的前馈桨距角,实现动态前馈补偿,提高控制系统的响应速度。对一个300kW的变桨距风电机组的仿真表明,该方法在额定风速以上的不同风速段都能够有效地减小系统的超调量,缩短调节时间,具有较为满意的控制效果。     

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。     

促进调峰的大规模风电调频备用容量动态配置策略

针对当前风电调频备用容量长期闲置、未充分服务于电网运行的问题,深化研究大规模风电调频备用容量优化配置方法,对于电网调频能力、风力发电经济性、电网调峰方面均具有重要影响。基于此,研究大规模风电参与一次调频的备用容量优化配置策略。根据日负荷预测曲线,在波峰时段设置较大调频基点功率、波谷时段设置较小基点功率,其他时段按照与波峰负荷比例设置基点功率,从而可在一日各时段配置风电调频动态备用容量;根据确定的各时段动态备用容量,求解基于转速控制或桨距控制一次调频策略的参考转速和参考桨距角,使风电机组在任意风速下(额定风速以上/下)动态调整一次调频备用容量。算例分析结果表明,在大规模风电并网场景中,所提策略不仅能保证电网调频需求,还能有效促进削峰填谷效果和提高风力发电经济性。