基于预测控制的大惯量风机全工况功率调度跟踪

面向电网调度、风电场内调度,现代风机需具备跟踪功率调度指令的灵活可调能力。针对这种需求,文章系统地提出了一种功率调度跟踪控制方案。首先,将风机运行工况划分为正常发电和限电弃风两种状态。当风机处于正常发电状态时,在额定风速以下基于模型预测控制算法设计了一个转矩补偿控制器,改进了传统的最优转矩控制器,提高风能利用效率。在额定风速以上采用MPC(modelpredictive control)桨距角控制器替代PID(proportional-integralderivative)控制器。在限电弃风状态时,提出了一种转速优先的变速变桨混合跟踪控制策略。针对两种运行状态下的变速变桨过渡区间分别添加了一个无扰切换过程。通过在多种风速下进行仿真对比,发现所提出的功率控制策略均具有较好的控制效果,可以实时响应风电场内功率调度。     

基于功率解耦的额定风速附近发电优化控制研究

为了便于控制器实现,变速变桨风电机组通常把转矩控制与变桨控制分开设计,在额定风速以下时,通过转矩控制实现最大风能捕获;在额定风速以上时,通过变桨控制限制机组功率。因此在额定风速附近,转矩控制与变桨控制之间存在耦合问题,需进行解耦,这是变速变桨控制算法设计难点。在分析了当前的解耦控制策略在额定风速附近风能损失问题之后,基于追求发电优化的目标,提出了一种功率解耦的控制方法,该方法较好地解决了额定风速附近功率损失与控制器误动作问题,而且在阵风工况下,可适当提前变桨动作,防止机组功率与转速超调。仿真与现场测试证明,该控制策略具有逻辑实现简单的优点,易于风电行业推广,有较高的实际工程意义。     

蚁群算法在风电机组变桨控制中的应用

运行在额定风速以上区间时,变速变桨风力发电机组采用恒功率变桨控制方式,由于额定风速至切出风速之间的风速变化范围大且迅速,使得功率波动较大且频繁,传统PID变桨控制器难以达到很好的控制效果。本文提出的蚁群PID变桨控制器,利用蚁群算法的寻优特性来优化PID参数,使得恒功率变桨控制系统更具自适应性和鲁棒性。分析了风机的恒功率变桨控制,然后给出了蚁群算法优化PID参数的策略以及具体实现步骤。仿真与实验结果验证了蚁群PID变桨控制器的良好动态性能,其有效地减缓了额定风速以上风机的功率波动。     

基于变桨距和转矩动态控制的 直驱永磁同步风力发电机功率平滑控制

风能的不确定性以及风轮机自身特性使风力发电机输出有功功率随风速变化而波动,影响风电机组输出电能质量,严重时还会影响电网运行稳定性。在分析变桨变速直驱永磁同步风力发电机运行特性的基础上,提出了在全风速范围内结合风力机变桨控制和发电机变速控制的发电机有功功率平滑控制策略。考虑到风能的随机性及直驱风能发电系统很强的非线性,设计了基于模糊理论的变桨距控制器和发电机转矩动态滑模控制器。对一台采用该控制策略的直驱永磁同步风力发电机的运行行为进行仿真研究。结果表明,提出的模糊变桨距控制能有效控制发电机转速运行范围,动态滑模控制能使发电机输出平滑的有功功率。与传统最大风能跟踪控制策略相比,所提出的控制方案能有效降低直驱永磁同步风力发电机输出有功功率的波动,控制发电机转速运行范围。     

变速风力发电机组的变桨控制及载荷优化

针对额定风速以上,如何抑制变速风力发电机组因反馈信号滞后引起的输出功率波动以及机组载荷等控制技术问题进行研究。在研究了传统变桨控制的基础上,提出基于风扰动的前馈补偿控制与传统PID反馈信号相结合的变桨控制策略。通过MATLAB环境下进行仿真研究,结果表明:桨控制策略能够快速使风力机的输出转矩保持在额定转矩附近,减小风机转速波动以及风电机组传动链扭振,从而降低风电机组承受的气动载荷使得系统运行更加平稳。     

风力发电机组的自适应转矩控制及载荷优化

针对变速变桨风力发电机组(variable speed variable pitch,VSVP)如何在低风速时最大限度捕获风能以及在额定风速以上降低传动链载荷进行研究。低风速时在研究了传统风能追踪控制策略的基础上,文中提出通过改变最优增益系数来追踪最佳风能利用系数的自适应转矩控制策略。同时针对风力发电机组传动链的扭转振动,提出了基于发电机转速反馈滤波的转矩纹波控制方式。以2MW变速变桨风力发电机组为验证对象,基于Blade软件平台对所采用的控制策略进行仿真研究。结果表明：所提出的自适应转矩控制策略能够更好的追踪最大功率点,同时采用转矩纹波能够降低传动链载荷     

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。     

变速风力发电机组恒带宽最大功率跟踪控制策略

对变速风力发电机组在额定风速以下实施最大功率跟踪控制有利于提高机组的发电效率,进而提高机组的年发电量。目前广泛运用的最大功率跟踪控制方法为功率反馈最大功率跟踪策略。该文从最大功率跟踪的跟踪带宽角度出发,研究发现功率反馈最大功率跟踪控制策略存在跟踪带宽低,且随着风速的减小而进一步恶化的缺点。之后,针对该问题,提出一种恒定带宽的最大功率跟踪控制方法,该方法通过在功率反馈最大功率跟踪控制策略中引入误差功率前馈信号,实现了最大功率跟踪带宽恒定的目的。在实验室内建立了一套1.2 kW的变速风力发电实验系统,实验结果验证了所提方法的正确性和可行性。     

基于遗传算法PID的风电机组变桨控制

变速变桨风力发电机组在额定风速以上的运行状态下,采取变桨控制来稳定输出功率。由于风速的随机性及风电机组参数的时变性,传统控制策略并不理想。提出了一种遗传算法比例积分微分(GA-PID)变桨控制器,利用遗传算法(GA)优化比例积分微分(PID)参数,增强了系统的鲁棒性。分析了风力机组的变桨控制原理,给出了遗传算法PID的实现步骤。最后通过仿真和实验验证了GA-PID控制器的优越性。     

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。     

风机独立变桨减载模型预测控制研究

针对风力发电机组在额定风速以上运行时承受的不平衡载荷波动问题,提出了一种基于状态空间模型的独立变桨模型预测控制策略。首先基于风机仿真软件FAST对风电机组非线性系统线性化;然后将建立的线性时不变(LTI)模型与非线性风机系统对比验证预测模型的拟合度;最后建立FAST-MATLAB联合仿真的NREL5MW风机模型,在湍流风模式下进行仿真。所提出的控制策略与传统PI控制策略相比,在稳定功率的前提下有效地减少了不平衡载荷,提高了风电机组运行稳定性。     

风速缺失情况下风电场功率调度分析

为了得到最优风电场功率调度方案,必须掌握任意时刻各风机风速输入值,进而得出各风机出力大小。当风速测量仪出现故障而不能正常工作时,风电机组风速数据将出现错误或缺失。建立线性回归方程,找出每台机组间输入风速的联系便可得到缺失的风速值。当风场发生"空转弃风"时,电网管理部门下达限电指令,风电场输出指定规模的有功、无功功率。将风场内所有双馈异步发电机损耗最低为目标函数,确定有功、无功调度方案。运用MATLAB软件建立风场模型,仿真结果验证了调度模型的可行性。     

基于机舱风速数据的风电场弃风电量计算方法研究

为准确评估风电场弃风时段的电量损失,提出了一种新的风电场理论功率与弃风电量计算方法—机舱风速法。该方法基于风电机组正常运行时段的输出功率与机舱风速计的测量风速建立映射关系,再应用到弃风时段,计算风电场的理论功率与弃风电量。为研究该方法的可靠性,分析了仪器测量偏差、风机尾流波动性、开停机状态对理论功率计算结果的影响,并给出了开、停机状态下机舱测量风速的换算方法。采用风电场实测数据对机舱风速法进行了验证,验证结果显示机舱风速法计算的理论功率的相关性系数平均为0.9960,均方根误差平均为1.87%,理论电量误差平均为0.68%。与已有方法相比,机舱风速法计算精度高,便于区分电量损失来源,能针对不同开机方案进行灵活设置。机舱风速法不需要建立测风塔,但如能引入测风塔数据修正机舱风速,有可能进一步提升计算精度。     

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。     

风电机组变增益组合控制技术研究

以捕获最大风力发电机组功率为目的,提出了变增益分段组合控制策略。该控制策略通过分析变速恒频风电机组主要采用的两种变速变距控制方法,根据功率-转速曲线,提出了变增益式分段组合控制策略,将变速恒频风电机组发电运行分成3个区域:低于切入风速,高于切入风速低于额定风速和高于额定风速,针对每个区域分别采用不同的变增益组合控制方法和实现方式;并通过Bladed软件仿真验证了组合控制策略的可行性,在不同运行区域控制结果能够满足控制策略的要求。     

一种新型结构变速恒频风力发电机组系统及其控制策略

在变速恒频理论的基础上,将行星齿轮应用于风力发电系统中,提出一种双转子变速恒频风力发电(DRPMSG)系统。在变速条件下,通过机电耦合方式实现并网控制,额定风速下采用基于转速反馈最佳功率给定的最大风能跟踪控制,额定风速以上将转矩与变桨距操作结合实现恒功率控制,在Simulink下对两台同步电机组成的系统进行仿真研究并给出实验结论,验证额定风速下变速恒频控制以及并网控制策略的有效性,相比传统直驱PMSG方式,该系统在降低了电机与变流器容量的同时,也拓宽了调速范围。     

一种风力发电机组输出功率平滑控制方法

基于风力机在不同运行区域中的功率特性,提出了一种改进控制策略。该控制方法在综合考虑转速控制和功率控制的基础上,在变桨控制器中引入了功率前馈控制器,使输出功率对风速的变化提前做出响应;在转矩控制器中加入了转矩补偿控制,使转速高于额定转速时,转矩响应更加快速,并且在确定转矩给定值之前引入一个加权平均值算法,减小给定转矩随风速发生的突变。利用MATLAB对传统和改进两种控制策略进行了验证。验证结果表明:当机组处于过渡区时,在传统控制策略下机组的功率输出值存在较大的扰动,控制效果不理想,而改进的控制策略能够有效地抑制阵风对转矩给定值的扰动,使输出功率更加平滑,减小了对电网的冲击。     

大型双馈异步风力发电机组变桨控制算法研究

变桨控制系统[1]是变速恒频风力发电机组的重要组成本分,它不仅关系到大型MW级风机的安全运行,而且对风能的吸收具有较好的控制作用。其中变桨控制算法是其控制系统的核心部分,为减小整机机械载荷、风机功率的稳定输出做出重要贡献。基于2.0 MW双馈风力发电系统的基础上,提出了具有转速二阶陷波滤波器的增益调度-双PI(notch filter gain-schedule double PI)控制算法,对风机运行于额定风速以上的变桨控制策略[2],使风机能够以最佳的速率变桨到最佳桨距角位置,从而输出稳定的功率,减小整机的振动,减小风机在3P、6P处产生过大的振动。最后对2.0 MW双馈异步风机变桨控制进行仿真和实际监控图分析,结果表明,其控制算法具有良好控制效果。     

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。     

变速风力发电机组的多变量桨距控制策略

针对大型双馈式变速变桨(variable speed variable pitch,VSVP)风力发电机组在额定风速以上如何保持输出电功率稳定和降低风轮转速波动的控制技术进行研究.在研究了传统变桨距控制策略的基础上,提出非线性转矩控制结合以独立变桨作为主体因素的多变量控制策略,并基于Bladed软件平台开发的外部控制器对该控制策略与传统的变桨控制策略进行仿真比较.结果表明:相对待统的变桨距控制,提出的变桨距控制使风力发电机组能够在额定转速下保持稳定的电功率输出,同时也能减小齿轮箱转矩尖峰.