基于风轮气动特性的风力机变桨优化控制策略研究

当风速大于额定风速时,风电机组通过控制变桨机构调整桨距角来减小风能捕获,从而使机组的输出功率保持在额定功率附近。变桨系统一般采用PI(比例积分)控制算法,但由于风轮气动转矩与风速、风轮转速、桨距角呈高次复杂非线性关系,单一控制参数的变桨控制器难以满足风电机组在额定风速以上的运行性能要求。为了解决单一变桨控制性能不足的问题,提出一种基于风轮气动特性的风力机变桨优化控制策略,该策略通过测量桨距角当前值来动态调整变桨控制器参数,可有效提升变桨系统随风动作连续性,减小由变桨控制引起的转速与功率波动,削减机组由变桨动作引起的动态载荷。     

以变桨轴承延寿为目标的风电机组变桨策略优化研究

传统变速变桨风电机组采用比例积分微分模型(proportion integral differential,PID)控制的最佳桨距角变桨策略,变桨频繁,变桨轴承易损坏且不易维修,为此提出一种减少变桨动作,延长变桨轴承寿命的变桨系统优化策略.在最佳桨距角策略基础上提出风速波动阈值指标建立优化模型,以风速波动阈值指标为输入...     

基于SCADA系统的风电变桨故障预测方法研究

风电机组变桨系统故障是目前造成机组停机的第一原因。文章对未来30 min的风电机组变桨故障进行预测,通过分析变桨系统潜在故障,制定维护保养计划;针对兆瓦级风电机组,分析SCADA系统的数据,提取变桨距系统故障特征;从风速、风向、桨距角和电机转速的输入、输出关系出发,应用多元线性回归分析和BP神经网络分别对变桨系统进行模型训练,对比两种算法的预测能力。通过分析故障预测模型性能指标、误差指标和输出数据图形可知,BP神经网络在风电变桨系统中的故障预测效果优于多元线性回归预测。     

基于LMI的5MW海上风力发电机组载荷控制技术研究

当风速大于额定风速时,通过调节桨距角可以限制输入气动功率和风轮转速,使等效在低速轴上的发电机转速更好地跟踪风轮转速,从而减小低速轴扭矩,实现风机叶片、塔筒和传动链的动态载荷控制。文章基于线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)设计多目标鲁棒H_∞/H_2状态反馈变桨距控制器。设计变桨距控制器时充分考虑了海上机组的运行环境,分析了海浪对机组产生的影响,控制目标选取机组的功率和机组的关键部位疲劳载荷,在保证功率稳定输出、减小功率波动同时,减小机组载荷。使用MATLAB和FAST软件进行联合仿真,仿真结果表明新型控制策略可以有效平稳风电机组输出功率并降低机组载荷,实现了优化H_∞/H_2鲁棒控制性能。     

一种直驱永磁风电机组的减载调频控制策略

文章针对风电并网容量增加导致系统调频能力不足的问题,提出了一种超速和变桨距协调的减载调频控制策略。首先给出了低、中、高3种风速模式的判定方法,然后通过设置初始功率跟踪曲线系数和调节桨距角实现直驱永磁风电机组的减载运行。在频率控制中,优先采用超速控制,当转速达到额定转速时,再启用变桨距控制,并且变桨距控制可分为低、中、高3种风速控制模式。仿真分析表明,基于所提减载调频控制策略,直驱永磁风电机组能在全风速范围预留一定比例的备用容量,实现双向频率控制,并能改善系统频率的暂态和稳态响应。     

基于5MW风机模型的变初值模糊PI变桨控制技术研究

针对传统PID变桨控制器参数自调整性能较差,适应性不强的问题,文章提出了风电机组变初值模糊PI变桨控制算法。通过模糊控制算法实现了PI参数的自动调节,根据风速大小设计了合理的变初值调整算法,实现了模糊控制器初值的在线调节。基于FAST风机软件中5 MW陆上风电机组非线性模型,分析了风电机组在额定风速以上运行时变桨系统的动态特性,从算法结构出发,设计了合适的模糊规则和量化、比例因子以及变初值调整算法,在Matlab/Simulink中搭建了变初值模糊PI变桨控制策略。通过仿真验证了控制策略在抑制转速波动和风机叶片、塔基受力力矩波动方面具有较好的效果。     

基于特征结构分析的风电机组调频控制桨距角参数选择

建立包含风电机组和火电机组调频控制的平均系统频率模型,推导其线性化形式进行特征结构分析,以特征值的变化规律为依据选择参数。发现较大的变桨响应时间需要增大PI控制参数以补偿桨距角动作的滞后性,缩短过渡过程,在高风速下可避免慢衰减的振荡。通过改进WSCC9节点测试系统可验证参数选择方法的有效性。     

基于功率灵敏度因子的风力机变速变桨距控制研究

针对大型变速变桨风力机在高风速区的气动性能随桨距角变化而改变的特性,文章提出了一种功率-桨距角变化的灵敏度控制策略。通过设计功率灵敏度因子调节PID变桨距控制器,建立输出功率偏差与风轮转速偏差的闭环系统。将提出的策略应用到某5 MW风机的参数模型中,利用MATLAB平台进行仿真验证。结果表明,提出的控制策略抑制了高风速区的扰动风速对系统的影响,使输出功率和风轮转速保持在额定值附近且波动很小,提高了系统的动态性能和稳态性能,同时提高了发电质量,并为风电机组并网需求奠定了理论基础。     

基于NMPC-PID的风力机独立变桨距控制策略研究

针对独立变桨风力发电机组叶片承受的不平衡载荷,尤其是随机性载荷问题,通过对其桨距角控制原理以及桨叶载荷数学模型的分析研究,提出结合神经网络、模型预测控制和自适应PID(NMPC-PID)的复合控制策略。采用Coleman坐标变换将叶片不平衡载荷分解为俯仰载荷和偏航载荷,跟据桨叶载荷的变化,对桨叶桨距角进行实时控制,以达到减小风电机组桨叶不平衡载荷的目的。以某2 MW风力发电机作为验证对象进行仿真研究,结果表明,当风速达到额定值以上时,该控制策略能降低桨叶所受不平衡载荷,减小转矩波动,提高风力机工作效率。     

基于改进最小方差法的风电机组变桨距控制

针对额定风速以上风电机组变桨距控制问题,提出了一种基于改进最小方差法的风电机组变桨距控制策略。该方法将延长预测步长思想,时变砺设计和柔化控制作用相结合,能够在突变过程初期,限制控制幅度,在控制后期能够加快收敛速度。同时与递推最小二乘辨识方法结合,用于额定风速以上风电机组变桨距控制系统。通过算例仿真表明,与传统的最小方差控制和PI控制方法相比,该方法能够使得系统响应迅速,在额定风速以上快速改变桨距角,保证了风电机组恒功率输出运行。     

基于变距系统的风电机组并网运行特性的研究

依据风电机组的变桨距控制原理和风电机组的运行特性,建立了转速环和功率环控制的风电机组变桨距控制系统,结合双馈风电机组各部分数学模型,在PSCAD/EMTDC中搭建了风电机组的并网仿真模型。对不同风速段湍流风况条件下的风电机组并网运行特性进行仿真,实现了不同运行阶段下风电机组运行特性的优化控制,并在此基础上分别仿真了阵风干扰和电网故障扰动下风电机组的动态运行特性。仿真结果分析表明,双环变桨距控制系统可以较好地优化风电机组的功率输出特性,在电网发生故障时桨距角的快速动作也可以有效地抑制故障暂态响应的进一步恶化,有利于电网的迅速恢复。     

载荷优化的海上漂浮式风电机组二阶滑模变桨控制

针对强非线性、强耦合的海上漂浮式风电机组动力学系统,提出一种基于二阶滑模的统一变桨控制策略,解决受海浪风速等随机干扰引起浮式支撑平台运动而产生的疲劳结构载荷及功率波动问题。构建漂浮式风电机组的不确定仿射非线性模型,基于风电机组“额定转速”设计积分滑模面,此“额定转速”不再是恒定值,而是取决于平台纵摇速度的变量,基于超螺旋算法实现二阶滑模变桨控制律。采用FAST和Matlab/Simulink联合仿真,所提出的方案与传统PI控制相比,对稳定高风速时风力发电机功率,抑制浮式支撑平台运动及减少叶根载荷具有更好的控制作用,对塔基也有较好的减载作用。     

减小风力机1P气动载荷和3P气动转矩脉动的独立变桨距控制策略研究

为研究风切变和塔影效应对三叶片风力机气动载荷、气动转矩以及输出功率的影响,根据风切变和塔影效应的风速模型,引入等效风速模型,推导分析风力机1P(P为风轮旋转频率)气动载荷和3P气动转矩脉动的形成机理,并基于GH Bladed仿真平台验证这2种脉动的存在性。为减小这2种脉动对风力机产生的影响,基于变桨控制,设计带通滤波器过滤出风力机输出功率的3P脉动分量,并结合方位角信号将其转换为每支叶片的桨距角调节信号,与统一变桨控制的桨距角参考信号叠加,实现基于输出功率和方位角联合反馈的独立变桨距控制。仿真结果表明,所提独立变桨距控制策略不仅能有效缓解风力机1P叶根挥舞载荷脉动,还能明显减小气动转矩和输出功率的3P分量,从而在减小风轮疲劳载荷的同时提高风电机组输出电能质量。     

额定风速附近变速变桨风力发电机组功率优化控制

详细分析导致功率波动和功率损失的原因,提出一种转矩优化控制策略。该转矩优化控制方法结合查表法和非线性PI控制器,在低风速区仅启用查表法以追踪最优功率;额定风速附近及以上时运用非线性PI控制器使转矩输出形成滞环,来抑制额定风速附近的功率波动;采用基于转矩误差及误差变化率的桨距角模糊调节器,实现转矩和变桨控制解耦;给出一种功率平均值限制算法,可抑制阵风时(包括额定风速以下和以上)引起的转速短时过速和功率损失,同时也可减少变桨机构的疲劳载荷。以风力机设计专业软件Bladed为工具,结合C语言编写外部控制器,对风力发电机组转矩及变桨控制策略进行仿真研究,仿真结果表明所提出的优化方案可行。     

基于模糊控制的风电机组独立变桨距控制

在额定风速以上时,通常采用变桨距控制技术调节大型风电机组来稳定其输出功率.由于风力发电系统的数学模型具有高度非线性、多变量、强耦合的特点,风速又具有多变性,因此文章在分析传统的PID变桨距控制技术优缺点的基础上,提出了基于三维模糊自适应PID控制的独立变桨距控制技术,并且引入风速的模糊前馈控制技术.对1 MW风电机组进行仿真,结果表明,在额定风速以上时,该方法不仅能稳定风电机组的输出功率,而且可以减小桨叶的拍打振动.     

基于CodeSys风电机组变桨距控制策略研究

本文主要研究兆瓦级风电机组变桨距控制系统的控制策略,基于不完全微分PID控制算法开发控制器,通过建立数学模型,与传统的PI控制器进行比较提出了优化的变桨距控制策略。通过实际工程应用中常用的CodeSys编程软件运行实际风电机组程序并进行全风速仿真,对比优化后的控制算法具有超调小,控制精度高及输出桨距角平滑等优点,为变桨距控制系统策略的优化提供设计思路及方案。     

基于LQR方法的风电机组变桨距控制的动态建模与仿真分析

为了获得更好的变桨距控制效果,将扰动校正LQR(Linear Quadratic Regulator)应用到风电机组变桨距控制中,该方法通过设计扰动状态观测器估计出作为扰动量的风速,在输入量中加入一个反馈量来消除风速产生的扰动影响,然后根据LOR控制理论,计算出状态反馈矩阵.建立了风电机组的动态模型,并根据动态模型在Mat-lab7.1/simulink环境下进行了仿真.仿真结果表明,基于扰动校正的LQR控制方法超调小,变桨距执行机构疲劳度小,具有良好的动态性能.该方法易于工程实现,适用于变桨距控制系统.     

考虑DFIG参与系统调频的动态潮流模型研究

针对双馈感应风电机组(DFIG),基于超速和变桨距策略及下垂控制原理,量化机组惯性,根据频率变化修正机组相关参数,引入DFIG内部约束量化机组内部损耗,提出考虑DFIG参与系统一次调频的动态潮流模型。结合算例分析,发现DFIG惯性受风速和减载水平影响;减载水平一定时,风速越大,DFIG参与一次调频时间越长,对系统频率支持能力越强。     

改进灰狼优化算法在变桨距自抗扰控制中的应用

风电机组模型的不确定性以及风等外部干扰严重影响风电机组输出功率的稳定性,因此,将自抗扰控制器(ADRC)引入到风电机组变桨距控制中。当风速高于额定风速时,通过自抗扰变桨距控制策略有效调节桨距角,保证风电机组输出功率的稳定性。但ADRC参数繁多,仅靠专家经验进行整定比较困难。因此,文章提出将改进灰狼优化算法应用到ADRC中,完成参数的自寻优整定过程。仿真结果证明,经改进灰狼优化算法进行参数整定后的变桨距自抗扰控制系统能够对桨距角进行精确调整,并将输出功率快速稳定到额定值附近,具有较快的响应速度以及较好的抗扰动能力。     

基于变桨系统故障的多部件条件维修策略优化

正变桨系统是风电机组的重要组成部分,它可以通过控制桨距角来控制风轮转速,从而达到恒定输出功率的目的。此外,还可以通过收桨动作使风电机组以空气动力制动的方式安全停机,从而保证了风电机组在不同风况下的安全运行。目前,电动变桨技术以其性能优良,维护方便,环保等诸多方面优点而逐渐取代液压变桨,但是运行过程中诸多故障的出现也不容忽视。变桨系统中电气滑环主要作用是实现轮毂与机舱之间电能和控制信号的传递。变桨中央控制箱与机舱控制柜的连接通过滑环实现,进而执行对轮毂内的轴控箱的控制工作。此外,风电机组机舱与变桨之间用于数据交换的