湍流激励下风电轴系的宽频受迫扭振及其抑制方法

风电轴系扭振会造成传动系统提前失效,对风电机组可靠性及可利用率十分不利。在随机湍流风速的持续性激励下,风电轴系扭振除特征频率分量之外,还在低频段存在较宽频带分布的受迫扭振分量。针对目前风电机组采用的传动链主动阻尼技术仅能应对特征频率分量轴系扭振的问题,构建刻画轴系宽频扭振特性的传递函数,揭示不同频段轴系电气阻尼对轴系宽频扭振的影响机理,得出应当在保证扭振特征频率处电气阻尼较高的同时设法降低低频段电气阻尼。提出抑制宽频受迫扭振的轴系电气阻尼重塑方法,并从稳定性和抑振效果两方面给出参数设计方法。所提控制策略易于工程实现,仿真表明其可有效镇定轴系宽频受迫扭振,且不会对发电量产生负面影响。     

联合转动惯量与电气阻尼虚拟配置的风电轴系宽频扭振镇定方法EI北大核心CSCD

风电轴系扭振会造成轴系部件提前失效,对整机寿命及可利用率十分不利。基于闭环传递函数分析了轴系物理参数对湍流激励下宽频受迫扭振的影响,表明增加风力机转动惯量或降低发电机转动惯量可抑制受迫扭振,特别的,当且仅当发电机转动惯量降为零时扭振幅度最低。在轴系主视角下将发电机转矩分解为电气阻尼分量和电气转动惯量分量,分析了二者对轴系扭振抑制的可协调性,提出联合配置发电机电气转动惯量和电气阻尼的扭振抑制策略。在主控制器硬件在环的GHBladed仿真中验证理论分析和控制设计的有效性,结果表明,所提控制可显著降低风速持续扰动产生的扭振和疲劳损伤,并可一定程度提高发电量。     

虚拟同步双馈风电机组的非线性联轴功率振荡抑制方法EI北大核心CSCD

虚拟同步机须面对复杂的振荡类型,具备宽频带抑振性能会使其更适于融入新型电力系统。该文首先分析传统虚拟同步控制时变速风电机组与同步发电机组间的线性轴系刚度耦合关系。其次,利用机组间的非线性功率耦合,引入轴系立方刚度,建立双馈风电并网系统的虚拟同步非线性联轴运动模型。结合最优带宽理论,分析风电并网系统处于线性和非线性联轴耦合时的功率振荡抑制带宽特性,提出双馈风电机组的非线性虚拟联轴控制方法,并完成控制器参数设计。最后,搭建风电高比例电网仿真系统,验证所提控制策略可有效拓展风机抑振带宽,避免谐振风险,提升其抑制功率振荡和频率变化的并网主动支撑性能。     

含虚拟惯量的双馈风电机组扭振阻尼特性分析与抑制方法研究

阻尼是影响双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)轴系扭振的核心因素.在并网导则要求风电参与系统调频的背景下,当DFIG采用虚拟惯量控制响应系统频率变化时,其扭振的阻尼特性将更加复杂.采用阻尼转矩方法,首先分析了最大功率跟踪模式下DFIG轴系扭振的阻尼特性,推导了虚拟惯量引入后双馈风机的电磁转矩–转速环传递函数,解释了虚拟惯量控制降低DFIG扭振阻尼的原因.其次,分析了基于带通滤波器和相位补偿环节的扭振阻尼控制器(bandpass-filter and phase-compensation based torsional oscillation damping controller,BPB-TODC)附加于不同控制通道引起的扭振频率偏移问题.针对扭振频率偏移导致阻尼控制器性能下降的问题,在混合通道BPB-TODC基础上,通过对多扭振频率偏移场景下的控制器参数进行寻优,提出了抗扭振频率偏移的优化BPB-TODC.最后,通过仿真验证了上述理论分析的正确性和所提阻尼控制器的有效性.     

风火捆绑经HVDC送电引起轴系扭振研究

风机轴系考虑为多质块模型时,风电场经高压直流输送电力有可能引起次同步轴系扭振。当风电与附近火电机组捆绑送电时,有助于提高风电系统稳定性。但当系统发生扰动时,风电机组和火电机组均将产生严重的轴系扭振现象。本文首先分析风机轴系扭振产生机理,然后基于整体最小二乘-旋转不变技术估计信号参数(TLS-ESPRIT)辨识出在风机轴系和汽轮机轴系固有扭振模态下的系统传递函数,进而基于射影定理针对每个扭振模态设计阻尼控制器以实现分层控制,最后将阻尼控制器输出信号叠加到直流输电整流侧定电流主控制器上,实现轴系扭振的抑制。建立风电场与火电机组捆绑送电模型并进行仿真,仿真结果表明,设计的分层控制器可有效提高轴系固有扭振模态的阻尼比,可使轴系模块间的扭振迅速衰减,有效提高了电力系统稳定性,控制器阶数较低,便于实际工程实现,且具有较高的鲁棒性。     

风电机组最大功率点跟踪控制的影响因素分析

将影响风电机组最大功率点跟踪(MPPT)控制的因素划分为风力机的动态性能和最大功率点的跟踪要求两大方面。以此为指导,围绕风速条件和风力机结构提取出多个具体的影响因素,包括平均风速、湍流强度、空气密度、风力机的转动惯量、叶片尺寸和最佳叶尖速比。通过仿真分析这些具体因素与现有两种功率曲线改进方法中的设定参数的量化关系,探讨它们对MPPT控制的影响与作用机理。研究结果表明,风速环境和风力机结构参数的变化都会改变风电机组的MPPT效果。因此,在设计与应用MPPT控制时,需要全面考虑上述因素的影响,并相应调整控制器参数。文中工作将为MPPT控制的优化设计奠定基础。     

含传输线功率信号的双馈风电场附加阻尼控制策略

从抑制电力系统区域间低频振荡以及减少风电机组传动链轴系扭振方面,提出双馈风电场附加阻尼控制策略。首先,建立了考虑传动链柔性的风电机组暂态模型及控制策略。其次,提出了考虑电力系统传输线功率信号的双馈风电机组无功功率环的附加阻尼控制策略。最后,以双馈风电场接入IEEE两区域四机系统为例,针对电网传输线三相短路故障和区域内同步发电机有功功率小扰动2种情况,分别对不同阻尼信号增益下的有功功率环和无功功率环附加阻尼控制策略的系统动态性能进行仿真。比较结果表明,与无附加阻尼控制相比,基于有功功率环或无功功率环的附加阻尼控制能够更好地抑制传输线功率振荡,且无功功率环附加阻尼控制不会导致风电机组传动链轴系扭矩振荡幅值增加。     

风机最大功率点跟踪的失效现象

针对具有大转动惯量和宽最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)区间的风电机组,发现了一种在传统MPPT控制策略下出现的风机MPPT失效现象.基于对简化风机模型的平衡点及加速/减速区域的分析,从机理上解释了MPPT失效现象的产生原因,即风机的慢动态性能难以跟踪风速的快速波动.进一步,针对多种容量风电机组的仿真统计分析表明,该MPPT失效现象的发生及其对风能利用系数的降低是不能忽视的.特别是在高湍流强度的风速条件下,MPPT失效导致的风能捕获损失率可能高达10%以上.     

基于功率回馈的光伏系统MPPT控制器研究

针对传统光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)技术变负载和环境条件下太阳能利用率低的缺点,根据光伏电池的动态输出特性以及闭环MPPT技术,在对MPPT控制器光伏电池组件进行理论和实验分析的基础上构建了Boost MPPT硬件电路,搭建了光伏发电系统试验台,设计了基于无损功率回馈法的MPPT控制器,进行了该控制策略与传统控制策略的传输效率对比研究,并将这种改进策略应用在光伏发电的最大功率追踪系统中。实验结果证明了该控制方法在提高变换器传输效率方面的作用及其在光伏系统应用中的优势。     

基于改进模糊法的分布式风光互补发电系统MPPT控制

风光互补发电系统的输出特性受到风速随机非线性、不确定性,太阳照射强度的时变不确定性和经常被部分遮蔽等的影响,一种高效的最大功率跟踪控制方法对于提高分布式风光互补发电系统的供电可靠性和电能质量具有实用意义。针对风电机组,采用模糊MPPT控制方法;针对光伏发电部分,采用模糊PWM扰动的MPPT控制方法,提高了系统在部分遮蔽状况的灵敏度和输出效率,进而实现了风光互补系统的MPPT控制。设计了基于改进模糊法的MPPT控制策略的控制器,并进行了实验验证,实际运行实验结果表明,基于改进模糊法的分布式风光互补发电系统的     

计及电网频率波动敏感特性的双馈风电机组优化发电控制策略

为协调优化提高风电机组发电量目标和限制机组功率波动目标,提出一种带滤波器的改进转矩控制策略.在风力机空气动力学、机组转子运动学和风机控制原理的基础上,考虑自然风频谱特征和电网调频敏感频段,推导并建立了机组转速和输出功率对风速的小信号分析模型.基于工作点处转速和功率对风速的传递函数,对比分析了常规转矩控制和改进转矩控制的...     

基于储能系统的双馈风电机组机网扭振抑制策略

针对由电网侧电气小扰动引起的机网扭振现象,提出了一种储能系统(ESS)的双馈风电机组(DFIG)机网扭振抑制策略。通过建立储能系统的数学模型,提出了储能系统的附加阻尼控制策略,利用储能系统既能输出无功也能输出有功的特点,根据风电机组母线电压偏差信号及电网电压频率偏差信号,控制储能系统的无功及有功功率的输出,在电网发生故障或者干扰时,稳定母线电压,抑制频率波动,从而及时有效地抑制机网扭振。仿真结果表明,对于传输线路末端无限大电网的电压暂降和频率波动的干扰引起的风电机组轴系扭振,储能系统能够有效地进行抑制。     

带超级电容的级联型光伏并网逆变器控制策略

针对由光伏电池板参数的分散性、遮挡不均以及光照强度波动等原因造成的发电功率损失及系统不稳定等问题,提出一种带超级电容储能的混合级联型光伏逆变器。首先,分析了该逆变器利用超级电容单元补偿光伏发电功率波动的工作原理。然后,提出了一种基于PI控制和重复控制的控制策略。该控制策略引入占空比修正模块对光伏单元实施分散的MPPT控制,以提高发电效率,并对超级电容单元进行功率控制以平滑逆变器输出功率的波动。最后,通过仿真和实验验证了该逆变器及其控制策略的可行性。     

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。     

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。     

基于风力发电机典型控制策略的控制参数设计及稳定性验证

由风速变化引起的功率波动会对电力系统的稳定性以及风电系统变流器的可靠性等产生负面影响.文中基于风力发电机2种典型的功率平滑控制策略,即改进最大功率点跟踪控制和功率反馈控制,分别建立了从风速到输出功率、电磁转矩和转速的传递函数.然后,分析了风力机的稳定运行条件,合理设计了风力机稳定运行下变流器的控制器优化参数.此外,通过绘制系统的根轨迹以及分析随机风速下系统的Nyquist曲线和Bode图来进一步验证参数设计方法的合理性和可行性.最后,基于MATLAB/Simulink建立了永磁直驱风力发电系统仿真模型,检验所提出的控制器设计参数的效果.通过验证可知,优化设计下的参数能最大程度地跟踪功率、减小功率波动,同时保证风力机转速的稳定性.     

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。     

基于改进模糊法的分布式风光互补发电系统MPPT控制

风光互补发电系统的输出特性受到风速随机非线性、不确定性,太阳照射强度的时变不确定性和经常被部分遮蔽等的影响,一种高效的最大功率跟踪控制方法对于提高分布式风光互补发电系统的供电可靠性和电能质量具有实用意义.针对风电机组,采用模糊MPPT控制方法;针对光伏发电部分,采用模糊PWM扰动的MPPT控制方法,提高了系统在部分遮蔽状况的灵敏度和输出效率,进而实现了风光互补系统的MPPT控制.设计了基于改进模糊法的MPPT控制策略的控制器,并进行了实验验证,实际运行实验结果表明,基于改进模糊法的分布式风光互补发电系统的供电可靠性、输出特性和动态特性显著改善,输出效率提高.     

风电功率跟踪的渐进随动本质与无通信的风电场集中变频原理

从变速恒频风电机组的降载提质增效控制目标入手，对3种基本MPPT控制下的功率跟踪能力、功率波动和轴系载荷进行分析，论证功率信号反馈控制与最优转矩控制的等价性，揭示二者本质上均属于内嵌风力机特性的渐进随动控制，阐明MW级机组变流控制不必要过分追求快速性的原因。分析表明渐进随动控制是MW级机组降载提质增效目标下的综合优选，机组巨大的转动惯量天然的为机组转速和有功功率引入10s以上的大时间常数低通滤波特性，是集中变频可行以及恒压频比控制满足发电机控制需求的依据。提出将功率信号反馈控制与转速开环恒压频比控制相结合构成集中变频换流站的有功–频率随动控制策略，省去换流站与风电场之间的高速通信。进一步提出一种适用于中远距离海上风电的新型风电系统方案——动态低频风电系统，具有潜在的低成本、高可靠和电网友好特性，经仿真验证可行。     

基于超扭曲优化算法的风机最大功率跟踪控制

针对风力发电系统在低风速区采用传统控制方法具有风能转换效率较低、风轮转速跟踪实时风速的性能较差、发电机转矩波动范围较大等问题,提出了一种将超扭曲算法与最佳转矩法相结合的最大功率跟踪改进控制策略。为进一步改善控制性能,采用粒子群算法对控制器参数进行优化。最后以风轮角速度、发电机输出功率、发电机转矩、功率系数等为评价指标,通过Matlab/Simulink平台验证所提方法的可行性与有效性。仿真结果表明,所提控制策略在提高最大风能捕捉能力的同时可有效地抑制发电机转矩的抖振。