基于神经网络风力发电机组载荷优化控制策略研究

为减轻大型风力机叶片在工作过程中受到的空气动力载荷均值,提出一种基于神经网络的风力机载荷优化控制策略。基于神经网络在线建立了风力机载荷数学模型;在功率控制的基础上,以减小载荷为目标,利用梯度法计算出控制量的修正量,从而实现功率与载荷综合优化控制的目的。将该控制策略应用于2 MW风机的非线性模型,用Matlab/Simulink进行了仿真,仿真实验结果表明,对比传统PI控制器,该控制策略能有效降低风机叶片的空气动力载荷均值。     

基于预测控制的大惯量风机全工况功率调度跟踪EI北大核心CSCD

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。     

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。     

恶劣风况下的风机最大容许出力模型及其控制策略

在过风速工况下,现有的风机紧急控制策略极易造成风机大规模脱网,风能资源得不到充分利用。对此,提出一种基于等效载荷二维寻址的风机优化应急控制策略,该策略在保证风机本体安全的前提下,可实现过风速工况下风机输出功率平稳降低,避免剧烈的过渡过程导致电网安全问题。首先,分析在恶劣风况下风机的运行特性,建立风能利用系数与推力系数之间的数学关系式,并且推导风能利用系数对风机运行特性的影响;在此基础上,利用实时风速计算风机机械部件的等效载荷,并基此提出基于二维寻址的风机优化应急控制策略;最后,搭建风电场运行综合仿真平台,在不同运行场景下对所提的风机应急控制策略的适用性和优越性进行验证。     

面向深远海的新型海上风力机浮式平台水动力性能研究

针对目前海上风机浮式平台现阶段技术瓶颈问题,结合经典半潜式平台与单柱式平台的结构特点,提出面向深远海的新型海上风力机漂浮式平台设计方法,设计了一种具有倾斜侧柱的全潜式浮式风机平台。基于NREL 5MW风力机上部机型参数,对提出的新型浮式平台进行参数优化设计。在此基础上,基于考虑结构全耦合效应的一体化数值计算方法,进行了考虑风剪切、波浪、海流的海上浮式风机水动力响应研究,对比分析了新型浮式风机、半潜式风机与单柱式风机在不同波浪入射角以及波浪频率下的水动力性能。结果表明：基于海上风力机漂浮式平台设计流程可设计出水动力性能优秀的海上浮式平台,新型浮式平台相较于半潜式平台能够明显降低垂荡峰值与其对应波浪频率,降低发生垂荡共振的可能性。此外,不同浮式平台方案的共性结论表明风机运行中应尽量保证波浪正向流入,对于避免侧向产生过大波浪力有利。     

一种计及等效损伤载荷约束的风机黏性控制策略

恶劣风况下,风电场将因风机过风速保护相继动作而发生功率陡降甚至风电机组大规模脱网,严重影响电网的安全稳定运行。针对此问题,构建了风电机组的安全运行载荷约束条件,提出一种计及等效损伤载荷约束的黏性控制策略。所提策略能够在不改变风机原有机械控制系统的基础上,根据运行风况实时调节风机功率,追踪风机等效损伤载荷约束,使载荷维持在相应风况下的安全边界内,在充分利用风机的载荷承受能力的前提下最大化维持风电场功率输出,以实现降低恶劣风况下风电场功率陡降风险的目标。通过算例仿真与策略对比,验证了所提策略的有效性和优越性。     

基于模型预测控制的风电机组独立变桨距控制技术的研究

随着双馈风电机组向大容量、高性能的目标发展,研制出稳定可靠、优化运行的双馈风电机组控制系统,是当前风电机组控制应用领域研究的热点。在双馈风电机组的功率恒定输出和减小机组载荷之间取得协调,达到整体性能的优化是控制研究的重点。针对双馈风电机组减小动态载荷、实现高效稳定控制提出一种模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC),以减小机组风轮不平衡载荷。以3 MW风电机组为对象,基于FAST软件对该控制策略和传统PI控制策略进行仿真比较。结果表明,这种新控制策略可以有效稳定风电机组输出功率和降低机组载荷。     

考虑坡度工况的FCHEV队列分层优化控制策略研究

在面对坡度工况时，如何开发同时兼顾车辆间协同控制与能耗经济性的控制策略是提高交通效率与发挥车辆节能潜力的关键技术之一。以燃料电池混合动力汽车队列为研究对象，以安全行驶及优化能耗为目标，提出了一种基于改进粒子群优化算法与Q学习的燃料电池混合动力汽车队列分层优化控制策略。该策略中上层控制器在保证满足与前车距离或速度限制等安全约束的前提下，利用改进的粒子群优化算法获取节能速度轨迹，并使用模型预测控制框架实时调整主车速度遵循节能速度轨迹行驶。下层控制器根据上层求解的车速和需求功率等信息建立Q学习控制器，实现燃料电池混合动力汽车动力电池与燃料电池之间的最优能量分配。仿真结果表明，本文所提出的分层控制策略在坡度工况下，表现出良好的跟踪性能和安全性能，且优化结果与动态规划策略相似，表明该策略的能耗经济性及可行性。     

适用于孤岛运行的永磁同步电机自动功率平衡控制策略研究

该文提出两种适用于孤岛运行的基于永磁同步风机的自动功率平衡控制策略。在控制策略Ⅰ中，风机的网侧换流器保持换流器电压的幅值和频率为恒定，转子侧换流器通过PI控制器调整功率参考值进而维持直流电压；在控制策略Ⅱ中，风机网侧换流器利用直流母线电压的动态特性实现电网同步和惯性响应，机侧换流器根据直流母线电压偏差调整有功功率以模拟一次频率控制。这两种策略都可以有效地保证风机的独立运行，无需锁相环和外部电源。特别地，策略Ⅱ突出了节能特性，将直流电容器中的储备能量用于系统惯性支持和负荷需求响应，以降低风机飞车的风险。为了提高策略Ⅱ在暂态期间并网点的电压质量，该文进一步提出维持并网点电压的改进控制方案。基于PSCAD/EMTDC仿真软件建立了单台风机向若干本地负荷供电的典型孤岛运行模型，在负荷突然降低或升高的情形下分析和对比了所提两种策略的有效性。     

风机爬坡功率的有限度控制策略

大规模、高集中度风电接入系统,增大了风电爬坡风险。文中分析了风电爬坡特性,以及风机本身的功率控制对爬坡特性的影响。在现有风机平滑控制的基础上,提出一种风机爬坡功率的有限度控制策略。该策略引入预测控制理论,通过预测、在线优化、反馈控制3个模块的配合,优化风机参考功率,使风机有效跟踪参考功率。预测模块采用动态神经网络超短期预测模型得到风功率预测曲线,在线优化模块根据建立的爬坡率和弃风量最小优化模型,通过二次规划算法快速获得优化出力曲线,反馈控制模块产生变速变桨距协调控制规律。仿真结果表明,该控制策略实现了平滑风机出力、增大风机发电量及改善转速特性的目标。     

基于模型预测控制算法的多风储直流微电网分布式电压二次控制策略

针对含多组风储单元的直流微电网中蓄电池的电压优化控制问题,提出了一种基于模型预测控制算法的分布式电压二次控制策略.设计了一种多步长预测一致性模型作为电压预测模型,通过目标函数最小化求解预测系数,得到最优电压二次控制补偿量加入一次控制中,将传统一致性算法中比例积分控制器下的偏差调节问题转化为模型预测控制器下的电压跟踪问题进行求解,从而实现对直流母线电压动态响应的滚动优化.该方法有效解决了传统一致性算法下电压控制策略瞬态特性差和部分工况下存在控制误差等问题,并通过MATLAB/Simulink仿真平台搭建模型验证了不同工况下所提策略的有效性和优越性.     

基于模糊PID的考虑风速变化的虚拟惯性控制策略

为充分利用风电功率支撑能力,有效缓解机组调频压力,提升电网频率稳定性,提出基于模糊PID的考虑风速变化的虚拟惯性控制策略。构建风机的数学模型,依据该模型分析风机各个组成部分的运行特性,并构建风速模型。在考虑风速影响下,分析风速变化对于风机虚拟惯性控制的影响,设计模糊PID控制器,自适应动态调整虚拟惯性系数,实现频率控制;为避免虚拟惯性的控制结果发生超调控制,采用粒子群算法优化PID控制器的控制参数,设计粒子群优化的模糊PID控制器,完成虚拟惯性控制,保证电网频率稳定。测试结果显示：考虑风速变化完成虚拟惯性系数调整具有较好的合理性,能够实现该系数随着风速的动态变化进行自适应调整;在故障扰动和负荷突变两种工况下,电网频率的控制结果较好,稳定性较高,满足控制需求。     

变速变桨风力发电系统的鲁棒H2／H∞多目标控制

应用机理建模方法建立风力发电系统模型。将额定风速以上风电机组功率水平控制问题转化为H2／H∞多目标控制问题,包括混合H2／H∞控制和区域极点配置两个目标,混合H2／H∞实现风电系统输出功率的平滑控制并减小机械载荷;应用区域极点配置满足系统的动态性能指标。利用LMI方法求解得到桨距角鲁棒控制器,实现了风力发电系统功率水平的控制。在MATLAB环境下仿真结果表明,控制器不但能够实现额定风速以上风电机组的恒功率输出控制,而且有效减小了风力发电系统运行过程中的机械载荷。     

风电机组全风速段多目标发电优化控制

降低机械载荷、提高发电量以及平抑功率波动是风电系统的主要控制目标之一。研究发现,在持续性风速激励下,轴系扭振除特征频率振荡分量以外还存在与风速同频的宽频受迫扭振,而现有扭振抑制方法不仅无法应对受迫扭振,在不适当的参数下甚至会产生不利影响。文章聚焦于持续波动风速作用下风电机组的多目标发电优化控制,根据低频段削弱、同时特征频率增强的分频段轴系电气阻尼虚拟配置原则,基于小信号频域分析法揭示了扭振、最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)和功率波动3个优化目标受控制器参数的影响规律。综合考虑了MPPT和功率波动对宽频扭振镇定的约束及3个目标的综合优化,针对全风速段不同工作模式分别设计控制器结构和参数,最后通过控制综合形成一套完整的控制策略。控制器硬件在环仿真表明所提控制策略可有效实现持续性风速激励下的多目标发电优化控制。     

基于T-S模糊模型的燃气轮机系统负荷跟踪多目标预测控制

传统控制策略主要解决燃气轮机系统负荷跟踪问题,缺乏对经济性能的考虑。设计了基于T-S模糊模型的多目标预测控制器以同步提高系统跟踪性能和经济性能。首先,针对燃气轮机系统强非线性特性,选用T-S模糊模型增量结构,选取某联合循环机组历史数据进行模型辨识,所得模型能够根据运行工况实时更新模型参数,避免了模型失配问题。然后,基于此模型设计多目标预测控制器,定义负荷跟踪指标和经济性能指标,并对指标进行加权构成多目标代价函数。在多目标优化问题求解中,使用同步传热搜索算法优化代价函数获得控制量,提高控制系统快速性。仿真实验及评价指标结果表明,该多目标预测控制策略能够有效提高系统跟踪性能和经济性能。     

基于T-S模糊模型的燃气轮机系统负荷跟踪多目标预测控制

传统控制策略主要解决燃气轮机系统负荷跟踪问题,缺乏对经济性能的考虑。设计了基于T-S模糊模型的多目标预测控制器以同步提高系统跟踪性能和经济性能。首先,针对燃气轮机系统强非线性特性,选用T-S模糊模型增量结构,选取某联合循环机组历史数据进行模型辨识,所得模型能够根据运行工况实时更新模型参数,避免了模型失配问题。然后,基于此模型设计多目标预测控制器,定义负荷跟踪指标和经济性能指标,并对指标进行加权构成多目标代价函数。在多目标优化问题求解中,使用同步传热搜索算法优化代价函数获得控制量,提高控制系统快速性。仿真实验及评价指标结果表明,该多目标预测控制策略能够有效提高系统跟踪性能和经济性能。     

虚拟磁链定向的三相电压型PWM整流器模型预测直接功率控制

本文研究了一种用于三相电压型PWM整流器的新型直接功率控制策略——基于虚拟磁链定向的模型预测直接功率控制。该方法以虚拟磁链矢量作为基本控制矢量,利用功率预测模型和功率误差最小原则,得出目标控制矢量公式,结合空间矢量脉宽调制实现模型预测功率控制。该方法简单,在每个开关周期对选择矢量没有限制。同时,将本文提出的方法与基于虚拟磁链定向的开关表直接功率控制在不同工况下进行了仿真和实验对比。结果验证了本文方法的有效性和可行性,为三相电压型PWM整流器提供了一种可行的控制方案。     

基于输入端电压动态分量优化的PWM整流器模型预测控制

为了提高三相电压型脉宽调制(PWM)整流器的动态响应速度和控制精度,提出了一种基于整流桥输入端电压动态分量优化的模型预测功率控制算法。首先,建立了三相PWM整流器dq旋转坐标系下的功率数学模型,分析了传统基于比例-积分(PI)控制器的直接功率控制算法的工作原理。然后,针对传统基于PI控制器的直接功率控制算法的内环功率PI控制器参数设计复杂及动态响应速度慢等缺点,从整流桥输入端电压动态分量优化的角度出发,借鉴模型预测控制思想,通过评价函数预测最优动态分量,在取消了功率内环PI控制器的同时提高了系统的动态响应速度和控制精度。最后,对所提模型预测功率控制和传统基于PI控制器的直接功率控制算法分别进行半实物实验对比研究,实验结果证明了所提算法的正确性和有效性。     

电力系统分布式模型预测控制方法综述与展望

模型预测控制作为一类约束优化控制策略,在电力系统控制领域得到了广泛的应用,传统的集中式模型预测控制难以满足复杂互联电力系统的多目标优化、可靠性、实时优化等要求。分布式模型预测控制能够协同多个局部控制器实现全局优化或纳什优化。文中全面综述分布式模型预测控制在电力系统中的研究现状和发展方向。首先,按照控制结构对模型预测控制方法进行了分类和对比分析,接着重点阐述了非协作式和协作式2类分布式模型预测控制方法。然后,围绕分布式模型预测控制在不同应用场景分别进行综述和分析。最后,指出了分布式模型预测控制在电力系统控制应用的研究方向。