基于功率反馈的直驱式永磁发电机组最大功率跟踪控制

分析了风力机的运行特性,建立了直驱式永磁同步发电机组(D-PMSG)的数学模型。基于功率反馈的最大风能跟踪控制原理,引入前馈解耦控制和锁相环,通过变流器控制直驱永磁风力发电机的电磁功率来实现对风力机转速的间接控制,在无需检测风速和风力机转速的情况下实现了风电系统的最大风能跟踪和单位功率因数控制。在变风速环境下,通过仿真实验,验证了所采取控制策略的有效性。     

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.     

永磁直驱机组的模拟风力机系统设计的几个关键问题

为了保证被测的永磁直驱型风电系统实现最大风能跟踪和全功率发电,指出了背靠背变流器、永磁同步发电机、感应电机、变频器、以及风力机机械特性模拟器等各环节的设计要点。通过理论与实例分析指出,背靠背变流器直流母线电压以及永磁同步发电机定子电流约束使永磁同步电机在一定转速下输出功率存在上限。模拟风力机械特性模拟器的参数设计应保证风力机在整个运行范围内,始终位于永磁同步电机最大出力曲线的下方。为此,给出了风力机机械特性模拟器参数的设计方法并最后通过设计实例验证了设计的可行性。     

考虑风速分区的双馈风机并网小干扰稳定分析

双馈风机并网对电网小干扰稳定性的影响,双馈风机低于额定风速运行时,根据功率特性和机械特性将其分为最大功率跟踪区和恒转速区2个分区。针对双馈风机-无穷大系统,采用李雅普诺夫线性化方法,分别建立最大功率跟踪区和恒转速区13阶小信号模型,采用特征根分析法,对比分析了各分区变换器控制器参数和风速对双馈风机-无穷大系统小干扰稳定性的影响。算例结果表明：2个分区内系统小干扰稳定的参数可行域不同,系统小干扰稳定特性不同,低于额定风速下进行分区研究可以更加精确地评估风机并网的小干扰稳定特性。     

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。     

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。     

双馈风力发电系统最大功率点跟踪控制策略

双馈风力发电系统最大功率点跟踪通常基于实验测定的最佳风速.功率-转速曲线,但在长期运行中系统参数的变化会使实际最大功率点偏离原曲线,影响最大功率跟踪效果.在分析风力机特性、双馈风力发电机数学模型及功率关系的基础上,提出了一种以向电网输出电能最大为目标、不依赖最佳风速-功率-转速曲线的最大功率点跟踪策略,实现了定子输出有功,无功解耦控制.仿真和实验证明,基于该方法,双馈风力发电系统在风速变化过程中能自动寻找并跟随最大功率点,且控制相对简单,运行可靠,有较高的实用价值.     

应用扰动观测器的定桨距风力机转速控制

目前,定桨距风力机在大功率应用场合采用恒速运行,若能采用变速控制,则可大大提高风能利用率。由于气动转矩与转速、风速间的非线性关系影响,在高风速区定桨距变速风力机的转速系统已变成一个不稳定的非线性系统。提出采用扰动观测器对气动转矩进行估计和补偿,以消除系统自身的不稳定性,使系统变成一个稳定的线性系统,并基于RT-LAB半实物实验平台设计了风力机的转速控制系统。实验结果表明:定桨距变速风力发电机组能够在设计风速范围内稳定运行,机组完全依靠应用扰动观测器的变速控制就能同时实现低风速区的最大功率点跟踪和高风速区的恒功率控制。     

大型风电机组自抗扰转速控制

大型风电机组通常具有较大的转动惯量,因此在风速变化时机组转速不能快速地跟踪最大功率点。为了提高风电机组在低风速下对风能的利用率,提出自抗扰转速控制策略。利用基于转速反馈的扩张状态观测器对系统的内外扰动进行观测,并采用扰动补偿的方法,将风电机组等效为一阶线性系统。基于自抗扰控制原理设计了系统的转速控制器。实时估计出机组捕获的机械功率并计算出转速给定值,采用转速控制器直接对转速进行控制。仿真结果表明,与采用传统的功率控制策略的机组相比,自抗扰转速控制策略在风速变化时对最大功率点的跟踪速度要快,机组对风能的捕获效率得到了提高,同时对风力机的参数依赖性小。     

输入受限情况下基于Hamilton系统的风力发电机组协同控制

针对风力发电复杂非线性系统,在输入受限情况下,研究风力机如何实现变风速运行下的最大风能捕获,使其工作在最佳功率曲线,以提高风能利用率,并探究多风力机的协同控制问题。建立风力发电复杂非线性系统的Hamilton模型,设计预置控制器实现风力机的最大风能捕获。基于非线性扇区法的饱和函数处理方法,设计一种无记忆状态反馈控制器,实现多风力机的协同控制。实验结果表明在变风速运行且输入受限的情况下,风力发电机组能保持在期望的转速下运行,既实现了变风速条件下的最大风能捕获,又实现了抗输入饱和情况下的多机组协同控制。     

基于永磁直驱同步风电机组的分频海上风电系统控制策略

海上风电经分频输电线路传输的研究近年来引起国内外的关注。由去除机端换流器的多台基于永磁直驱同步发电机(PMSG)的风电机组、海底电缆和交交变频器组成的分频海上风电系统,可通过线路末端的交交变频器控制PMSG的转速捕获风能,可节省初始投资和运行维护费用。考虑变压器和输电线路的影响后,推导出分频海上风电系统的准稳态模型,基于转子平均磁链定向给出多机矢量控制器的设计原理;从曲线拟合的角度,给出多机组运行频率的求解方法;以4台PMSG为例,搭建了分频海上风电系统仿真模型。结果表明采用多机矢量控制方法,在不同风速条件下,风电机组的转速均能够跟随指令值,并实现风能的最优捕获。     

SVC与桨距角控制改善异步机风电场暂态电压稳定性

研究了改善异步机风电场暂态电压稳定性的措施。基于普通异步机的恒速风电机组是目前世界上应用最为广泛的风电机组之一,由于其发出有功功率的同时吸收无功功率,会导致接入风电地区电网的电压稳定性降低。文中在DIgSILENT/PowerFactory中建立了静止无功补偿器（SVC）控制模型及风电机组桨距角控制模型,通过包含风电场的电力系统仿真计算验证了模型的有效性及其对异步机风电场与电网暂态电压稳定性的贡献。研究结果表明,在接入风电地区电网发生三相短路的大扰动故障时,SVC能够有效地帮助恒速风电机组在故障后恢复电压,提高输出的电磁功率,桨距角控制能够有效地降低恒速风电机组的输入机械功率,以上2种措施能够避免风电机组机械与电磁功率不平衡引起的异步发电机超速及电压失稳;采用SVC及风电机组桨距角控制能够改善异步机风电场的暂态电压稳定性,确保风电机组连续运行及电网安全稳定。     

基于反馈线性化原理的直驱风力发电机组控制系统设计

提出一种基于反馈线性化原理的控制策略来设计直驱型风力发电机组(D-DPMSG)控制系统。为了使系统稳定运行在最大功率区域和快速追踪最大功率特性曲线,建立了系统各部分的动态模型并推导出了该非线性控制策略。在随机风速扰动下,相对于传统的PID控制策略,基于反馈线性化原理设计的非线性控制器使系统的转速响应超调更小,响应速度和恢复速度更快,效果更好。最后,大量仿真证明了该控制策略在追踪最优功率曲线的有效性。     

考虑塔影与风切变的永磁同步风电系统最大风能跟踪控制策略

为了保证风电机组高效稳定运行,通过在转矩控制环节中引入模糊变增益的转速补偿转矩,有效地减轻了由塔影效应、风切变、风速中的随机脉动分量引起的风力机输出的机械转矩波动与按照最优叶尖速比法计算的参考转速的波动对永磁同步风力发电系统的影响,抑制了风电系统的低频震荡并保证了系统的稳定性。当考虑到轴系的摩擦损耗时,为了真正地实现最大风能跟踪,通过对最优叶尖速比进行修正,得出最大电磁功率所对应的准确的参考转速,使得机组运行在最大电磁功率对应的工作点处。在Matlab/Simulink下构建了直驱永磁同步风电系统的详细仿真平台,验证了该方法的正确性与有效性。     

基于变参数减载控制的风电场一次调频策略

变速恒频风机通过电力电子设备实现并网,导致机组转速与系统频率不再有耦合关系,无法主动响应系统频率变化。针对风电大规模并网引发的系统调频安全问题,采用优先减载低风速机组的风电场预留备用策略,并结合桨距角控制,实现满足系统备用需求,同时最大限度地储存旋转动能;然后提出了变调频系数的虚拟惯量控制策略,给出了下垂系数的整定方法,以实现风机减载功率充分释放,为系统提供可靠的调频功率支持。在DIgSILENT中建立了系统仿真模型,结果表明：所提策略能够合理分配风机的减载功率,并有效利用备用容量参与系统调频,提升了风机的频率控制能力。     

大型风电机组的功率曲线自寻优控制策略

大型风电机组在额定风速以下一般采用最大功率曲线法进行机组的最大功率跟踪控制,但机组的最大功率曲线一般通过实验获得,很难保证精度。为优化风电机组在低风速区域对风能的利用率,提出了基于微分跟踪器的功率曲线自寻优控制策略。采用微分跟踪器提取出机组转速和机械功率的微分值,并由此判断实际功率曲线与最大功率点之间的位置关系,然后采用三维模糊控制器对功率曲线的系数进行实时调整。以2MW双馈风力发电系统为基础,在Bladed仿真环境中对自寻优控制策略进行了仿真研究。仿真结果表明所提出的自寻优控制策略对机组参数如功率特性或转矩特性等依赖性较小,在风速变化的情况下能够对机组功率曲线的系数进行实时的修改,并有效地将机组的功率曲线调整到最大功率曲线的位置,从而证明了该策略的正确性和可行性。     

变速恒频风力发电系统风机转速非线性PID控制

针对变速风机非线性强、转动惯量大、转轴机械阻尼随转速变化的特点,提出了变速恒频风力发电系统风机转速非线性PID(nonlinear-PID, NLPID)控制策略,仿真研究表明,非线性PID控制响应快,超调小,受系统参数变化的影响较小,控制精度高,具有一定的适应性和鲁棒性。此外,该文设计了基于模糊规则切换的模糊PID-PID双模变桨距控制器,在此基础上对变速恒频风力发电系统在全风速范围内的运行进行了数字仿真研究。在高于额定风速时,通过变桨距控制器调节桨距角,系统能较好地将功率限制在额定值附近;在低于额定风速时,通过模糊推理,系统能够在免测风速的情况下给出转速参考信号,实现最大风能捕获或恒转速运行。     

改善基于双馈感应发电机的并网风电场暂态电压稳定性研究

提出了改善基于双馈感应发电机的并网风电场暂态电压稳定性的措施以实现风电场的低电压穿越(low voltage ride through, LVRT)功能。目前，大部分基于双馈感应发电机的变速风电机组不具有故障情况下的暂态电压支持能力，当电网侧发生严重短路故障时，风电场的暂态电压稳定能力会影响到电网安全稳定。该文在DIgSILENT/PowerFactory中建立了具有暂态电压支持能力的变速风电机组转子侧变频器控制模型及用于故障后稳定控制的桨距角控制模型，通过包含风电场的电力系统仿真计算验证了模型的有效性及其对风电机组和电网暂态电压稳定性的贡献。仿真结果表明，当电网侧发生三相短路故障时，风电机组转子侧变频器暂态电压控制能够控制风电机组发出无功功率支持电网电压；桨距角控制能有效降低变速风电机组机械转矩，避免出现风电机组超速及电压失稳。得出结论：采用变频器暂态电压控制及桨距角控制能够改善基于双馈感应发电机的并网风电场的暂态电压稳定性，确保风电机组低电压穿越(LVRT)功能的实现及电网安全稳定。     

超速风电机组的改进频率控制方法

开发风电机组的控制潜力向电力系统提供频率控制成为对风力发电的新要求。传统的针对超速风电机组的频率控制方法没有考虑对风电机组旋转动能的有效利用,缺乏根据风电机组运行状态对频率控制器参数进行整定的方法,尚未充分发挥风电机组的频率控制能力。因此,提出了超速风电机组的改进频率控制方法,将超速风电机组的转子旋转动能用于降低系统频率变化率,超速减载功率用于系统一次调频,提出了考虑风电机组运行状态的频率控制器参数整定方法。仿真结果表明,提出的控制方法能够充分利用风电机组的旋转动能和减载功率提升系统频率控制效果,同时防止风电机组过度响应,有利于风电机组安全运行。