大转动惯量风电机组变桨控制技术研究

大型风电机组通常具有较大的转动惯量,风速变化时机组转速变化较为滞后,使得以转速反馈的变桨控制不够及时,导致高风速段的功率输出波动较大。为了减小风电机组在高风速下输出功率波动,快速稳定转速,在对桨距角变化下的转速特性与气动转矩特性建模和研究的基础上,提出了基于转矩反馈的自抗扰变桨控制策略。设计了线性自抗扰变桨控制器,实时估算机组的气动转矩,利用基于转矩反馈的扩张状态观测器对系统的内外扰动进行观测,并对扰动进行补偿。对基于转矩反馈的线性自抗扰变桨控制进行仿真,结果表明,与基于转速反馈的自抗扰变桨控制相比,基于转矩反馈的自抗扰变桨控制在风速变化时的功率与发电机转速波动更小,调节时间更短,采用线性自抗扰控制器对风力发电机参数依赖较小,在保证控制效果的同时降低了参数整定的难度,有较高的工程实用价值。     

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。     

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。     

变速变桨风力发电机组的桨距控制及载荷优化

讨论了大型变速变桨风电机组在额定风速以上如何减小系统超调量以及降低机组载荷。根据风电机组的强非线性特点,采用基于模糊免疫PID的桨距控制策略,以减小发电机转速波动,改善功率品质。针对风电机组的塔架前后和侧向振动以及传动链扭转振动,提出了桨距、转矩阻尼滤波和加速度反馈等控制方式。通过Bladed外部控制器模块编程并进行仿真,结果表明所提出的控制策略能够改善变桨距控制的动态特性,降低关键部位载荷。     

变速变桨风力发电机组的桨距控制及载荷优化

讨论了大型变速变桨风电机组在额定风速以上如何减小系统超调量以及降低机组载荷.根据风电机组的强非线性特点,采用基于模糊免疫PID的桨距控制策略,以减小发电机转速波动,改善功率品质.针对风电机组的塔架前后和侧向振动以及传动链扭转振动,提出了桨距、转矩阻尼滤波和加速度反馈等控制方式.通过Bladed外部控制器模块编程并进行仿真,结果表明所提出的控制策略能够改善变桨距控制的动态特性,降低关键部位载荷.     

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。     

3MW风电机组变桨距无模型控制

随着风电机组装机容量的迅速增加,电网对风电机组的电能品质提出了更高的要求,而功率波动是影响风电机组电能品质的一个重要问题。考虑到风电机组变桨控制中的桨距角和机组功率的非线性关系和外界扰动问题,为了减小风电机组功率波动,基于无模型自适应(MFA)控制理论设计了风电机组变桨无模型控制器,不依赖于风电机组精确的数学模型。为了验证无模型变桨控制器的性能,以3MW双馈风电机组为控制对象在Sinmulink中对该算法进行了仿真并和广泛应用的PID变桨控制器进行了对比。仿真结果表明无模型变桨控制器较好地解决了风电机组变桨控制中的非线性和外界扰动问题,风电机组输出的功率波动明显小于PID控制器。     

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。     

基于转矩随动控制的风电机组最优发电研究

提高变速变桨风电机组的能效转化率是风电机组整机设计人员追求的重要目标。大型商业化机组中,通常采用转速-转矩查表法来实现最佳叶尖速比跟踪。由于受到发电机最小并网转速与额定转速的约束,查表法在这两个边界转速上,只能采用斜率较大的过渡曲线来表征转矩与转速的对应关系,这影响了输出功率的平稳性,缩短了最佳叶尖速区,减少了机组的发电量。提出一种转矩随动发电机转速变化的风电机组最优发电控制实现方法:在全风速运行范围内,基于一个统一比例积分(PI)转速转矩控制器,根据发电机转速,动态设定输出转矩限值的方法。该方法可解决风速的不可测量性、风速变化不可跟踪性等难题,实现额定风速以下最大风能捕获的控制目标。仿真分析与现场测试结果表明,该算法具有良好的稳定性与动态性能,提升了机组的能效转化率。该控制算法逻辑实现简单,易于风电行业控制器推广,有较高的实际工程意义。     

风力发电机组变桨距线性自抗扰控制

利用线性自抗扰控制在处理系统内部摄动和外部扰动方面的优势,设计变桨距控制系统的线性自抗扰控制器,所设计的线性自抗扰控制器能够保证风电机组在额定风速以上的不同风速段均有较好的控制效果。将该方法应用于1台300 kW的变桨距风电机组进行仿真研究,仿真结果表明该方法在不同风速段均能够有效地缩短调节时间,减小系统超调量,且算法简单、调试容易。     

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。     

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。     

大型风机的独立变桨控制方法

为了缓解风力发电机组由于风速扰动所造成的疲劳载荷,给出了一种基于RBF神经网络滑模独立变桨控制策略。通过分析风力机的基本特性,提出将RBF神经网络滑模功率控制单元和独立变桨控制单元相结合的控制方式。RBF神经网络滑模功率控制单元通过对发电机电磁转矩及桨叶桨距角的控制来平衡风力机的气动转矩,使风轮保持额度转速,实现稳定风电机组的输出功率的目的。而RBF神经网络独立变桨滑模控制单元通过实时微调风机桨距角,来优化功率控制单元的统一桨距角信号,实现缓解风机结构疲劳载荷的目的。最后,通过建立基于RBF神经网络滑模独立变桨控制的风力发电机组进行相应的仿真与实验,证明基于RBF神经网络功率控制和独立变桨滑模控制相结合的方法具有良好的控制效果,稳定风机输出功率的同时,极大地缓解风机的结构载荷,降低风力发电机组的维护成本。     

大型风力发电机组控制技术研究

传统的大型风力发电机组控制技术对于快速变化的风速调节相对滞后,对于具有强非线性、随机不确定性且工作范围较宽的风电系统而言适用性较差.为此,引入自适应分段控制技术,设计了大型风电机组的智能化柔性变桨算法和柔性偏航算法,实现了大型风电机组有功无功的分段线性控制.基于现代控制方法,提出了一种自抗扰-神经网络控制技术,使风力发电机组对参数摄动和负荷扰动具有强鲁棒性,实现在各种风速下均能够灵活地控制风力发电机组的输出功率,拓宽其应用范围.通过对自抗扰-神经网络控制进行仿真分析,验证了所提控制策略的可行性和有效性.     

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。     

变速恒频风力发电系统变桨距自抗扰控制

由于风能的随机性及气动效应的影响，变速恒频风力发电系统具有强非线性，难于实现高精度控制，输出电能质量较差。为了改善系统在恒功率输出运行区域内的动态性能，该文在分析变速恒频风力发电系统变桨距控制研究现状的基础上，基于自抗扰控制理论设计风力发电系统变桨距控制器。建立了风机及变桨距机构模型，以转速为量侧输入设计扩张状态观测器，观测系统状态及风速扰动，利用前馈环节予以补偿；同时，根据状态偏差配置非线性结构，抑制转速偏差。在随机风、阶跃风及阵风作用下对设计的自抗扰控制器进行数字仿真，结果表明基于自抗扰控制理论的变桨距控制器具有良好的动态性能及对风速扰动的鲁捧性，能够有效改善变风力发电系统桨距控制效果，工程实用价值较高。     

风浪扰动下海上风电机组塔架载荷与输出功率的协同优化控制

风浪扰动导致海上风电机组响应特性复杂,控制器需要综合处理多种外源扰动。此外,气动力造成风轮旋转与塔架运动的耦合作用,增加了变桨控制器设计的难度。首先,通过动力学分析建立合适的海上风电机组低阶数学模型。然后针对风浪扰动,提出了随机干扰调节控制器(SDAC)。最后协同输出功率控制与塔架载荷控制,设计含线性二次型调节器的变桨控制器。基于GH Bladed软件的仿真结果表明,相较于传统控制器,SDAC能够优化机组输出功率波动,降低塔架载荷,实现塔架载荷与输出功率的协同优化。     

风电机组转矩的非线性控制

风电机组发电机转矩控制不仅直接决定机组的最大功率追踪效果,而且对传动系统疲劳载荷有明显影响。风电机组发电过程时刻受到风速的扰动,而且机组传动系统具有明显的非线性特性。本文设计了一种非线性转矩控制器,在计算出最优转速后,对风电机组转矩进行控制跟踪最优转速。在考虑机组传动系统柔性的情况下,实现最大功率追踪的同时可减小传动系统疲劳载荷。在FAST软件中针对5MW风电机组仿真,结果表明该方法能够很好地追踪最大功率,且相对传统PI控制输出的功率更加稳定平滑,对传动系统载荷有一定的改善。     

风力发电机组优化变桨距控制研究

风速变化的随机性和风力机叶轮巨大的转动惯量导致风力发电机对风速突然变化的动态响应通常都是时间滞后的,这可能会使叶轮转速和输出功率出现较大波动。基于线性二次高斯（LQG）优化控制理论提出变桨距优化控制方法,与传统的PI变桨距控制相比,可以抑制叶轮转速和功率波动。以2 MW变速变桨风力发电机组为实验对象,采用FAST-MATLAB/Simulink联合软件平台分别对LQG优化变桨距控制和传统PI变桨距控制进行仿真分析,证明LQG优化变桨距控制在抑制叶轮转速和功率波动方面的有效性。