A robust composite wide area control of a DFIG wind energy system for damping inter-area oscillations

This paper presents a novel composite wide area control of a DFIG wind energy system which combines the Robust Exact Differentiator (RED) and Discontinuous Integral (DI) control to damp out inter-area oscillations. RED generates the real-time differentiation of a relative speed signal in a noisy environment while DI control, an extension to a twisting algorithm and PID control, develops a continuous control signal and hence reduces chattering. The proposed control is robust to disturbances and can enhance the overall stability of the system. The proposed composite sliding mode control is evaluated using a modified benchmark two-area power system model with wind energy integration. Simulation results under various operating scenarios show the efficacy of the proposed approach.     

Comparative study of three types ofcontrollers for DFIG in wind energyconversion system

This paper presents an enhanced control strategy for Wind Energy Conversion System (WECS) using Doubly-Fed Induction Generator (DFIG). A robust Super-Twisting (STW) sliding mode control for variable speed wind turbine is developed to produce the optimal aerodynamic torque and improve the dynamic performance of the WECS. The electromagnetic torque of the DFIG is directly tracked using the proposed control to achieve maximum power extraction. The performance and the effectiveness of the STW control strategy are compared to conventional Sliding Mode (SM) and Proportional-Integral (PI) controllers. The proposed STW algorithm shows interesting features in terms of chattering reduction, finite convergence time and robustness against parameters variations and system disturbances.     

无源高阶终端滑模控制双馈风力发电系统

为了简化双馈风力发电系统模型并且使得系统具有抗干扰的特性,依据无源性理论和滑模控制理论从能量和鲁棒性的角度研究了变速恒频双馈风力发电系统.首先建立了基于Euler La-grange (EL)方程的双馈风电系统数学模型,使得双馈风电系统分解为电气和机械两个无源子系统的反馈互联.在设计控制器时只需考虑电气子系统,而机械子系统是一个能量耗散系统,通过选择适合的参数可以保证稳定,因此简化了控制算法.针对速度环响应速度慢,鲁棒性差的问题设计了高阶非奇异滑模速度控制器.仿真结果表明了所提控制算法简单有效,能够保证风力发电系统输出恒定频率的同时,电机转速也能快速的跟踪参考转速,提高了整个系统的动静态性能.     

改善接入系统同步稳定性的变速风电机组控制

为了改善风电接入系统的同步稳定性,采用基于能量守恒的方法构造含有风电机组的电力系统能量存储函数,以此为基础设计提高风电接入系统动态特性的双馈风力发电机控制策略,并分析了机组运行约束对控制效果的影响。控制方案利用变速风电机组特性,通过改变风机转速消除系统故障期间的不平衡能量,有效抑制系统同步机振荡。针对双馈感应型风场接入系统,在DIgSILENT/Power Factory中进行了仿真研究,仿真结果表明,不同系统运行方式下控制方案在有效改善风电接入系统同步稳定性的同时不会恶化系统电压稳定特性。     

基于DFIG功率振荡阻尼器的电力系统低频振荡抑制综述

随着大规模风电并网,风电机组与同步机组间的动态交互加剧,前者对电网低频振荡(low-frequency oscillation,LFO)的负面影响和正面控制效果渐趋显著。文章对双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)并网系统LFO抑制问题展开调研。分析了DFIG并网对LFO的影响机理,从风电侧和电网侧比较了LFO抑制措施。重点讨论了DFIG附加功率振荡阻尼器(power oscillation damper,POD)的参数整定方法和控制策略设计。对基于传统方法、优化方法、鲁棒理论等参数整定方法,以及线性二次型调节器(linear quadratic regulator, LQR)、自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)、滑模变结构控制(sliding mode control,SMC)、模糊控制等控制策略进行比较分析。最后对DFIG并网电力系统低频振荡抑制问题,给出后续研究展望。     

双馈风力发电机有功功率和无功功率的滑模解耦控制

发电机有功功率、无功功率的解耦控制是变速恒频双馈风力发电系统的关键技术。分析了双馈异步发电机的动态数学模型,基于定子磁场定向的矢量控制方案,结合滑模控制与比例积分控制,得到一种有效的双馈风力发电机功率解耦控制策略。应用李雅普诺夫稳定性理论研究系统稳定性,建立了MATLAB/Simulink环境下系统的仿真模型。仿真结果表明,该控制方法能够很好地实现双馈发电机有功功率、无功功率的解耦控制,验证了该控制策略及变速恒频双馈风力发电机系统建模的正确性和有效性。     

基于不同工况下双馈风机响应控制的电力系统频率控制方法

风电大规模并网虽然会降低电力系统对传统化石能源的依赖,但双馈风电机组自身的解耦控制会降低电力系统惯性和频率响应能力。针对该问题,将风电机组纳入系统频率调节体系,提出基于不同工况下双馈风机响应控制的孤岛电力系统频率控制方法。首先,研究了不同风况下双馈风电机组的有功频率控制模式及不同风况下的协调控制方案;然后,在深入分析双馈风电机组参与频率控制机理的基础上,提出风电机组频率控制启动判据以及风电卸载容量计算方法,该方法可降低风电备用储能,避免过多降低风电正常情况下的消纳水平;最后,仿真结果验证所提频率控制策略可在不同风速工况下有效参与系统频率控制,显著增强高渗透率风电接入电力系统的频率稳定水平。     

基于最佳功率给定的最大风能追踪控制策略

采用双馈异步发电机(DFIG)的交流励磁发电技术不但能在变速情况下实现恒频发电,更能通过对DFIG输出有功、无功功率的解耦控制,实现最大风能的追踪.为能在不检测风速的条件下实现最大风能的捕获,提出了基于参考功率优化计算模型的最大风能追踪控制策略,其本质是通过控制DFIG的输出有功功率来间接控制风电机组转速以追踪风力机最佳功率曲线.在此基础上,建立了基于矢量变换控制技术的完整的变速恒频(VSCF)风力发电控制系统.仿真和实验结果验证了该最大风能追踪控制策略的可行性、有功与无功解耦控制的有效性及工程应用的现实性.     

基于DFIG功率振荡阻尼器的电力系统低频振荡抑制综述

随着大规模风电并网,风电机组与同步机组间的动态交互加剧,前者对电网低频振荡(low-frequency oscillation,LFO)的负面影响和正面控制效果渐趋显著。文章对双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)并网系统LFO抑制问题展开调研。分析了DFIG并网对LFO的影响机理,从风电侧和电网侧比较了LFO抑制措施。重点讨论了DFIG附加功率振荡阻尼器(power oscillation damper,POD)的参数整定方法和控制策略设计。对基于传统方法、优化方法、鲁棒理论等参数整定方法,以及线性二次型调节器(linear quadratic regulator, LQR)、自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)、滑模变结构控制(sliding mode control,SMC)、模糊控制等控制策略进行比较分析。最后对DFIG并网电力系统低频振荡抑制问题,给出后续研究展望。     

双馈感应发电机空载并网的高阶滑模控制策略

围绕双馈感应发电机(DFIG)空载并网问题,将基于矢量控制的电网电压定向技术应用于双馈风力发电的并网发电上,提出一种基于电网电压定向的高阶滑模控制的空载并网控制策略。从分析DFIG的运行特性入手,研究了空载并网控制原理,基于DFIG的空载数学模型,提出了具有鲁棒性的高阶滑模空载并网控制器。对DFIG并网前后的整个过程进行了仿真研究,仿真结果表明,所提出的策略是一种较理想的空载并网方式。     

双馈风力发电系统最大风能追踪控制的研究

在分析了风力机功率特性和DFIG运行特性的基础上,通过对双馈机转速控制进行最大风能追踪具体过程的深入研究,提出了一种基于最大风能追踪的双馈电机有功、无功功率的解耦控制方法。建立了基于发电机定子磁链定向矢量控制的双馈风力发电系统最大风能追踪系统模型,并利用PSCAD/EMTDC对其进行仿真,结果验证了控制策略的正确性。     

Optimal tracking and robust power control of the DFIG wind turbine

In the present paper, an optimal operation of a grid-connected variable speed wind turbine equipped with a Doubly Fed Induction Generator (DFIG) is presented. The proposed cascaded nonlinear controller is designed to perform two main objectives. In the outer loop, a maximum power point tracking (MPPT) algorithm based on fuzzy logic theory is designed to permanently extract the optimal aerodynamic energy, whereas in the inner loop, a second order sliding mode control (2-SM) is applied to achieve smooth regulation of both stator active and reactive powers quantities. The obtained simulation results show a permanent track of the MPP point regardless of the turbine power-speed slope moreover the proposed sliding mode control strategy presents attractive features such as chattering-free, compared to the conventional first order sliding technique (1-SM).     

基于PSCAD的双馈感应发电机矢量控制研究

在各种风力发电系统方案中,双馈感应电机（DFIG）变速恒频风力发电系统以其独特的优点逐渐成为当今风力发电的主流。在分析双馈电机的数学模型及原理的基础上,建立了基于定子磁链定向矢量控制的双馈感应电机风力发电系统模型。运用目前国外广泛应用的电力系统计算机辅助设计软件PSCAD/EMTDC对该系统进行仿真研究,并分析风力发电机运行时的动态性能。仿真结果表明,该控制方式实现了定子端口有功功率和无功功率的解耦控制,具有良好的控制效果。     

双馈变速风电机组频率控制的仿真研究

双馈变速风电机组采用双脉宽调制（PWM）变流器实现电磁与机械的解耦控制,这也使得双馈变速风电机组对系统频率变化的响应降低。文中以双馈变速风电机组模型为基础,根据双馈变速风电机组控制特点和控制过程,在电力系统仿真软件DIgSILENT/PowerFactory中增加了频率控制环节,在系统频率变化时,双馈变速风电机组通过释放或者吸收转子中的一部分动能,相应增加或者减少有功出力,实现了风电机组的频率控制。仿真结果证明了频率控制环节的有效性和实用性,并证明了通过增加附加频率控制环节,风电场能够在一定程度上参与系统频率调整。     

DFIG网侧变换器反馈线性化与滑模控制

为了提高双馈风力发电机(DFIG)网侧变换器(GSC)的动态性能,在建立GSC仿射非线性模型基础上,提出一种非线性复合控制策略。该控制策略在静止坐标系下对电流进行反馈线性化解耦,无需电网电压定向,同时电压外环采用含饱和函数的滑模控制,从而达到直流母线电压快速恒定以及电流跟踪控制的目的。仿真结果表明,该控制实现了GSC的稳定以及功率因数控制,验证了理论的正确性。上述控制策略相较于传统的控制方式,减少计算变量,能够保证系统快速收敛。     

电网电压骤降故障下双馈风力发电机建模与控制

双馈感应发电机（DFIG）在变速恒频风力发电中得到广泛应用,对DFIG采用矢量控制可使风电系统实现最大风能追踪和有功、无功解耦调节,从而获得优良的发电运行性能。但在传统的矢量控制方式中,通常认为是无穷大理想电网,忽略了定子励磁电流变化的动态过程,从而得到简化的DFIG数学模型,并以此作为电流内环控制器的设计依据。这种控制器在电网正常的情况下可使系统获得优良的动静态特性,但当电网出现故障时,其控制性能将恶化。为了提高电网电压故障情况下DFIG不间断运行能力,文中以DFIG的精确数学模型为依据,针对传统的2种矢量控制方式的不足,提出了改进的控制方案,并对改进前后电网电压骤降情况下DFIG的动态过程进行了仿真对比,结果表明改进方案可以有效控制转子电流,保护转子励磁变频器,提高DFIG变速恒频风电系统在电网故障下的不间断运行能力,是并网DFIG风力发电机的一种有效、实用的控制策略。     

故障时双馈风力发电系统的控制策略研究

基于变速恒频双馈风力发电系统的有功、无功的解耦控制,提出了电网故障时双馈电机的紧急控制策略,在Mtalab/Simulink里建立了模型,并验证了故障控制策略的正确性。在常规情况下,双馈电机转子侧的有功采用最大功率点跟踪控制,无功采用额定功率因数控制,可以获得最大的风能利用效率和较好的功率因数;但若电网故障时仍采用此常规控制策略,电网不但获取不到最大的风能利用效率和较好的功率因数,而且电网的频率和电压波动影响较大。所以在故障期间把最大功率点追踪控制和额定功率因数控制切换到频率控制和电压控制策略,通过控制有功电流分量和无功电流分量来减小或者增加有功和无功的输出,减小电网频率和电压的波动。建立了故障控制的模型,针对系统单相接地故障和两相短路故障这两种短路故障类型进行了仿真,仿真结果验证了故障控制策略的正确性,提高了风力发电系统在故障时的稳定性。     

Effective MPPT technique and robust power control of the PMSG wind turbine

Wind generator performance improvement requires sophisticated and robust control techniques to overcome various constraints and achieve optimal aerodynamic energy conversion. Because of the continuously changing nature of the wind, the output power of a wind energy conversion system (WECS) can be maximized if the wind rotor is driven at an optimal rotational speed for a particular wind speed. This is achieved with a maximum power point tracking (MPPT) controller. Over the years, a variety of MPPT studies have been made, but very few provide guidelines to single out the most suited MPPT technique. In this paper, a comprehensive comparison of the four most used schemes has been made in relation to a permanent magnet synchronous generator (PMSG) wind turbine system. These techniques can be classified into various categories. The obtained results show clearly the superiority of the fuzzy logic control (FLC) technique. Using this MPPT approach, the generated power by the turbine is considered to be, in terms of power control, an auxiliary source feeding a grid. To achieve smooth regulation of the active and reactive power exchange between the PMSG and the grid, direct power control, using space vector modulation DPC‐SVM strategy combined with sliding mode control (SMC) is applied in the grid‐side converter. Simulation results show the efficiency and reliability of the control strategy proposed in this paper. © 2015 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

Sliding mode control of a dual-stator induction generator for wind energy conversion systems

This paper presents a sliding mode control (SMC) associated to the field oriented control (FOC) of a dual-stator induction generator (DSIG) based wind energy conversion systems (WECSs). The DSIG has two sets of stator three-phase windings spatially shifted by 30 electrical degrees. The study of operation of the wind turbine leads us to two essential cases: optimization of the power for wind speeds lower than the nominal speed of the turbine and limitation of the power for higher speeds. Conventional electrical grid connected WECS present interesting control demands, due to the intrinsic nonlinear characteristic of wind mills and electric generators. The SMC is a robust nonlinear algorithm which uses discontinuous control to force the system states trajectories to join some specified sliding surface, it has been widely used for its robustness to model parameter uncertainties and external disturbances, is studied. In order to verify the validity of the proposed method, a dynamic model of the proposed system has been simulated, to demonstrate its performance.     

接入LCC-HVDC的双馈风电场孤岛启动与并网控制策略

接入常规高压直流输电(LCC-HVDC)的双馈风电场系统,在直流送端无电压支撑的条件下无法孤岛启动,在传统并网控制方法下也无法稳定运行。为实现系统的孤岛启动及并网后的稳定运行,提出了一种接入LCC-HVDC的双馈风电场孤岛启动与并网控制策略,包括基于分布式储能的电路拓扑、孤岛启动的时序以及启动时序中每阶段系统的控制方法。在电路拓扑中,由配置于若干双馈风电机组变流器直流母线的储能为系统启动提供能量。基于此,风电机组采用空载启动方式,并网后风电机组采用基于无功功率的频率控制,直流系统采用基于有功功率的电压控制,两者共同维持送端交流母线电压及频率稳定。基于PSCAD/EMTDC的仿真结果表明,系统不仅能够顺利完成孤岛启动,而且在正常工况下电压和频率能够维持稳定,从而验证了所提孤岛启动与并网控制策略的有效性。