Wind turbine emulator based on blade element momentum theory for variable‐speed wind power generation system

This paper proposes a wind turbine emulator (WTE) based on the blade momentum theory, and tests the variable‐speed wind power generation system using a pulse‐width modulation (PWM) converter to verify the accuracy of the emulator. The behavior of the wind turbine for natural wind is reproduced by the WTE based on the proposed theory. The variable‐speed wind power generation system employs a vector control system to control the torque and speed of the permanent magnet synchronous generator in the converter side. The windmill rotational speed is controlled to maximize the efficiency of the wind turbine against wind velocity. And the active power and reactive power are controlled in the inverter side, and the generated power is sent to the grid while controlling the DC link voltage to be constant at the same time. The behaviors of the WTE are compared with the simulation results and experimental results using a real wind turbine. These experimental and simulation results show that the test bench with the proposed WTE has sufficient performance and accuracy to verify variable‐speed wind generator systems. © 2015 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

永磁直驱风电系统运行特性的仿真分析

对采用永磁同步电机的直接驱动型变速恒频风电系统进行建模,详细分析了系统在最佳叶尖速比捕捉最大风能、Chopper电路及桨距角控制增强低电压穿越能力的机理。利用M atlab/S imu link构建了采用全功率变流器的永磁直驱风力发电系统的仿真模型,对系统的最大风能捕捉及低电压穿越的动态响应进行了仿真验证。仿真结果表明,系统具有较高的效率和良好的低电压穿越能力。     

A Theoretical and Experimental Study of a Laboratory Wind Turbine Emulator using DC-Motor Controlled by an FPGA-Based Approach

Abstract

The aim of this study is to carry out a Wind Turbine Emulator (WTE) which represents the important hardware part to behave as a real wind turbine system with respect to the introduced wind timeseries for improving the wind power system technology control in laboratory. The proposed WTE consists of a variable speed drive which controls a DC motor as a prime mover coupled to a PMSG operated in open loop. The novelty appears in the modeling and configuration of wind timeseries, aerodynamic and mechanical aspects of the wind turbine and its control strategy by using Xilinx System Generator (XSG) as a dataflow design tool based on graphical user interface Simulink which ensures a rapid architectures prototyping. Moreover, the dynamic performance of the modeled system under Matlab/XSG environment is presented and discussed. The motor drive is performed by a DC/DC buck converter controlled by PWM strategy implemented on FPGA board. An experimental platform of the entire wind energy conversion system is built. Experimental results verified and validated the wind turbine emulator operation using a variable wind speed.     

并网型直驱式永磁同步风力发电系统暂态特性仿真分析

为了研究并网的大容量直驱式永磁风力发电系统的暂态特性,基于Matlab建立了风速、风轮机、直驱式永磁同步发电机的模型;研究了直驱式风力发电系统全功率双脉宽调制变流器的控制策略及桨距角控制系统。以含风电场的简化电网为例研究了风电场接入电网后,电网电压降落及风电场附近母线发生单相短路、三相短路接地故障时,直驱式永磁风力发电系统的暂态特性;仿真结果表明电网故障时,直驱式永磁风力发电系统可以进行无功功率控制,对电网电压的恢复有积极作用,不向短路点提供短路电流,确保风电系统连续运行,提高了电力系统的安全稳定性。     

永磁风电系统低电压穿越控制策略研究

针对Boost升压型永磁直驱型风电系统,分析了其发电机侧和网侧变流器的控制策略.为增强其低电压穿越能力,提出了一种基于转子储能和网侧无功优先输出的控制策略.通过减小发电机的有功输出来降低直流侧过电压,通过控制网侧无功输出来提升电网电压.基于Matlab/Simulink 7.10搭建了仿真模型.仿真结果证明了该控制策略的有效性.     

风力发电机液压变桨距控制系统的研究

根据空气动力学知识,组建由风速模型、风轮模型、传动链模型等组成的变桨距风力发电机组仿真模型。重点对液压变桨距控制的过程进行研究,在Matlab/Simulink环境下建立液压变桨距控制系统模型,对收桨和开桨过程进行建模仿真并对结果进行分析。在液压变桨距控制系统中引入PID控制器进行校正,通过仿真分析验证系统设计的可行性以及仿真模型的合理性,以使液压变桨距控制系统可达到准确快速地控制桨距角的目的。     

基于RBF神经网络滑模变结构独立变桨控制研究

为降低大型风电机组由风剪切、风切变和塔影效应在叶片上产生的不平衡载荷,根据风力机气动力学、风剪切、风切变和塔影效应,提出一种基于RBF神经网络滑膜变结构独立变桨控制策略。滑模变结构控制抗干扰强、鲁棒性强和响应速度快,缺点是滑模变结构控制易产生抖动。利用RBF神经网络的在线学习能力,实时调整滑膜变结构控制器增益,使滑模函数趋于切换面,有效降低滑模变结构控制的抖动,提高独立变桨控制系统的动态性能。利用Matlab/Simulink和GH-blade软件搭建了5 MW风电机组的联合仿真模型。仿真实验表明采用所提出的独立变桨控制方案能有效降低桨叶根部不平衡载荷,还能提高风电机组运行在额定风速以下的功率性能。通过试验平台的测试,也验证了所提出的独立变桨控制策略的合理性。     

基于PSCAD/EMTDC的双馈感应风电机组变桨距控制仿真分析

提出一种简化的风力机变桨距控制模型,通过发电机转速和风力机输出功率的反馈信号分别调节桨距角,控制发电机的转速恒定和风力机输出功率平稳.采用PSCAD/EMTDC仿真软件建立该变桨距控制模型,对整个风力发电系统(包括双馈电机和并网装置等)进行仿真,验证该风力机变桨距控制方法的可行性.     

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。     

直驱永磁同步风力发电机的最佳风能跟踪控制

与双馈交流励磁风力发电系统相比,直驱永磁同步风力发电系统具有结构简单、发电效率及运行可靠性高等优点。文章采用双脉宽调制(pulse-width modulation,PWM)变换器作为直驱永磁同步发电机的并网电路,根据风力机和发电机的运行特性提出了一种基于最佳功率给定的发电机最大风能跟踪控制策略。建立了基于双PWM变换器的直驱永磁同步风力发电实验系统,实验结果验证了所提出控制策略的正确性。该发电系统可实现最大风能跟踪控制、并网有功和无功功率独立控制以及变速恒频发电运行。     

基于功率变化和模糊控制的风力发电机组变速变桨距控制

由于风速测量的不准确性以及很难获得风力发电系统的精确模型,故采用传统的PID控制器难以在风速快速变化的情况下实现良好的控制效果.文中提出将风力发电机组输出功率变化情况作为变桨距执行机构工作的判断依据和控制策略,并根据该策略,进一步提出了基于模糊控制的变速变桨运行控制方法.通过构建仿真模型,按照基于功率变化判断的控制策略分别对变速变桨与工程上常规的匀速变桨进行了仿真比较研究.仿真结果表明,所提出的不依赖于风速测量和精确系统数学模型的控制策略,可以很好地稳定风电机组输出功率,且相对于匀速变桨控制,变速变桨控制方法一方面更好地将机组输出功牢稳定在额定值,另一方面可以减轻变桨距执行机构的疲劳度,减少部件间的磨损,这对于延长变桨执行机构的工作寿命、降低其故障发生率以及维持整个风电机组安全稳定运行具有重要意义.     

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。     

用于风力发电的矩阵变换器仿真与实验分析

为了使无刷双馈风力发电系统实现变速恒频风力发电,关键在于寻求一种输入输出特性好、电力谐波低、能量可以双向流动"绿色"变换器。应用Matlab/Simulink建立了矩阵变换器系统直接传递函数调制策略的仿真模型,并采用TMS320LF2407数字信号处理器和MAX7000系列的EPM7128复杂可编程逻辑器件设计了矩阵变换器实验系统进行实验,仿真和实验验证了矩阵变换器设计的可行性和正确性,为矩阵变换器应用于无刷双馈风力发电系统奠定实验基础。     

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.     

基于滑模变结构的风力机变桨距控制研究

根据风能的不确定性和风力发电机的系统有着很强的非线性特点,设计了滑模变结构控制器,对1台采用该控制策略的异步双馈发电机进行变桨控制,利用Matlab/simulink对其运行行为进行仿真研究,仿真结果表明,滑模变桨性能不仅能有效控制风力发电机的转速范围,而且能保持风力发电机在额定风速以上的最大功率输出。     

一种开关磁阻风力发电机最大风能跟踪方法

对开关磁阻风力发电机的运行原理和风轮机的功率输出特性进行了介绍,提出了一种不依赖风轮机运行参数即可实现最大风能自动跟踪的变步长控制方法.使用Matlab/Simulink构建了整个系统的模型,进行了仿真,使用直流电动机模拟风力机对提出的最大风能跟踪控制方法进行了测试,系统仿真和试验结果证明该方法是可行的.     

永磁直驱风电机组的双PWM变换器协调控制策略

永磁直驱风力发电系统中可采用全功率双脉宽调制（PWM）变换器作为永磁同步发电机（PMSG）的并网电路,当风速变化时,双PWM变换器的直流链电压会随着PMSG输出功率的改变而出现大幅度波动,这将不利于变换器功率器件的安全运行及整个发电系统的稳定运行。结合永磁直驱同步风力发电系统的运行特点,提出一种适用于永磁直驱风电机组的双PWM变换器协调控制策略。系统仿真和实验结果验证了所提出的控制策略的正确性,该方案可显著提高风速变化时双PWM变换器的直流链电压的稳定性,有助于提高发电系统的安全稳定运行能力。     

模糊PID变桨距控制器研究

首先对风力发电技术的发展进行了介绍,然后对变桨变速风力发电机机组风能转换特性进行了分析,从而提出了在高风速范围下,风力机变桨控制发电机转矩的控制策略.利用Matlab/Simulink的仿真结果表明,控制曲线符合预期设计要求.     

大型风力发电机组变桨距控制系统设计与仿真

随着风力发电机组单机容量的大型化,变桨距风力发电机已成为风力发电机组的主要研究和发展方向.基于变速恒频风力发电系统,对变桨距控制系统的设计方法进行研究.对风力机的结构和基本工作原理进行了探讨,并分析了风力发电机组的控制过程,分别设计了低于额定转速的PI控制器及高于额定风速的变桨距控制器,通过对控制系统的机理模型仿真,验...