变速与变桨协调的风电机组平滑功率控制

考虑到风电功率秒级波动对电网频率稳定的影响,需要对风电机组输出功率进行平滑控制。现有依靠风电机组实现风电功率平滑控制的方法大都存在频繁变桨的问题。为此提出了协调变速与变桨的平滑功率控制方法。该方法通过分离桨距角的上调和下调动作,将传统的基于变桨调节的恒转速(转速上限)控制转变为转速区间控制,使风轮机能够在任意桨距角下变速运行,从而更大程度地利用风轮机动能来平滑风电功率波动。因此,该方法在保证平滑控制效果的同时,能有效降低变桨动作频率和幅度,并减小变桨伺服机构的疲劳和叶片载荷。最后,基于风电机组模拟器的实验验证了所提方法的有效性。     

无刷双馈异步电机潮流建模和收敛性研究

针对并网无刷双馈异步电机(BDFM)风电机组潮流计算问题,发现在最大功率点跟踪(MPPT)方式下,BDFM有功出力与电网运行条件有关;提出BDFM与电网联立求解潮流模型。对于受功率调度的BDFM,发现有功参考值在低风速下可能得不到满足,将导致潮流发散;提出两阶段潮流模型:首先判断功率调度是否有效,然后选择BDFM潮流约束和求解方法。为改善潮流收敛性,提出基于转差率或支路功率的BDFM初值算法。给出IEEE RTS系统中BDFM参数计算结果,以验证所提BDFM潮流算法的可行性和正确性。     

面向AGC的变速变桨风电机组有功功率控制策略

随着风电的大规模、高渗透率接入电网,未来的电网调度迫切需要风电电源具备传统电源的有功功率稳定输出特性和调节性能。为此,面向自动发电控制(AGC)的风机有功功率控制(APC)已经成为当前风电机组主控策略的研究热点之一。目前,APC的实现方法主要包括基于桨距角调节的功率控制(PAC)和基于转速调节的功率控制(RSC)。基于对风机能量平衡关系的分析,总结了上述2种APC策略的实现原理,并利用FAST软件对控制方法和控制指令进行了仿真比较。仿真表明:相较于PAC方法,RSC方法具有更为平稳的有功功率输出;而且在低风速时,由于利用风轮的动能缓冲,RSC方法能够有效减少变桨机构的动作频率和动作幅度;但在高风速时,2种控制方法都需要频繁的变桨。此外,功率指令的设定对于APC控制效果的影响也是不容忽视的。     

超速与变桨协调的双馈风电机组频率控制

双馈风电机组的有功功率输出无法响应电网频率的变化,并且由于其通常运行在最大功率点跟踪模式下,亦无备用的有功功率支援电网的频率控制。通过提升发电机转子转速和调节桨距角可实现双馈风电机组的减载运行,从而保留部分有功功率作为备用以提升对电网频率的调节能力,但是超速控制和变桨控制在不同工况下,具有一定的工程局限性。为深入挖掘双馈风电机组的调频潜力,提出了一种超速与变桨相协调的调频控制策略。该控制策略根据不同的风速条件,将调频分为低风速、中风速和高风速3种模式,并详细分析了可辨识这3种模式的判据。仿真结果表明,基于文中提出的控制方法,双馈风电机组可以有效提升系统的频率稳定性。     

基于电气剖分信息的风电系统有功调度与控制

针对风速的随机性和间歇性对电力系统调度与控制带来的困难,提出一种风电系统有功调度的二层结构调控策略,即在在线调度周期内,借助系统内常规发电机组的配合对预调度周期内的发电计划进行再校正以及在自动控制时间级内通过与风电机组紧密关联的自动发电控制(automation generation control,AGC)机组的实时偏差调控对在线调度计划外的功率波动进行调整的策略。利用与风电机组、相关非风电机组及其供电负荷等有关的网络源流路径电气剖分信息,计算非风电机组参与发电计划再校正的功率调整因子及参与风电实时功率波动控制的关联AGC机组之间的负荷分配因子。算例表明,二层结构的调控策略可以有效跟踪风电与负荷功率的波动或预测偏差,从而提高整个系统的运行质量。     

直驱永磁同步风电机组在全风速范围内的控制策略研究

为实现直驱式永磁同步风电机组在全风速范围内的高效、稳定运行,提出了一种基于最优转速给定的最大功率点跟踪控制策略与一种变桨距控制策略。当风速波动时,发电机转子转速的参考值将根据风电机组运行状态的不同选择不同的计算方式,使得风力机功率系数最大或稳定在额定转速不超速。而桨距角的大小将根据发电机的输出功率变化,当输出功率小于额定值时保持为0,大于额定值时增大使得输出功率稳定在额定值附近。最大功率点跟踪控制系统及桨距角控制系统都以发电机的输出功率大小作为控制方式的切换条件,无需复杂的切换规则。在Matlab/Simulink仿真平台上全风速范围内的风电机组的运行结果验证了所提出的控制策略的正确性与有效性。     

双馈型风力发电机功率期望值的H_∞跟踪控制

应用H∞控制理论为双馈型风力发电机系统设计了功率跟踪控制器,以保证风力发电机有功、无功功率能跟踪给定的期望值曲线。期望值曲线是根据风速大小、转子所允许的最大转速和额定功率划分为3个不同的运行区域给出的,以保证在3个运行区域风力发电机都能最大程度地获取风能,同时又可安全可靠运行。H∞控制理论可以解决干扰抑制、鲁棒稳定、信号跟踪等问题。仿真表明,所设计的控制器能驱使闭环风力发电机系统在整个运行过程中很好地跟踪所给定的功率期望值曲线,从而实现了最大风能利用且安全运行的目的。     

兼顾系统调频需求的分布式风电分散自治调控策略

越来越多的风力发电将分布在配电系统中,它们无法像常规电源一样由输电网调度中心集中调度和控制,通常需要采用分散自治的调控方式。然而,风电机组完全不顾输电系统的运行需求充分自治,会在某些方式下导致系统运行状态恶化。因此,需要研究风电机组新型调控策略,使充分自治转变成能够兼顾系统某些特殊运行需求的有限自治,配合系统渡过难关。针对此问题,提出了能够兼顾系统调频需求的分布式风电机组分散自治调控策略,该策略根据风电机组运行信息和系统频率将风电机组调控区划分为并网控制区、正常调控区、异常调控区、紧急调控区和脱网控制区五类,并给出了异常调控、紧急调控和故障调控三种新的调控模式。算例表明:风电机组能够较好地根据系统调频需求,在最大可用输出功率范围内调整自身输出功率,一定程度上给予系统积极的支持。     

提升无功调节能力的双馈式风力发电机转速变模式控制策略

分散式风电机组接入引起的配电网无功潮流变化易导致配电网出现电压偏差,由于配电网自身无功电压调节能力较弱,及时恢复母线电压到正常水平成为分散式风电机组的重要调节任务。提出一种以暂时牺牲最大风能追踪为代价的双馈式风电机组转速变模式控制策略。首先,以最大限度提高机组无功出力极限作为控制目标,寻求分散式风电机组向电网输送的无功功率最大值与风速、发电机转速间的关系,得到能使机组无功出力达到最大的发电机转速指令值;然后,根据控制目标及其他限制条件确定风电机组内部的无功分配方案;最后,结合传统控制算法制定双馈风力发电机转速变模式控制策略。PSCAD的仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

适应于电网高风电渗透率下的双馈风电机组惯性控制方法

为解决风电渗透率增加带来的电网频率安全稳定问题,在揭示传统微分惯性控制方法缺点的基础上,提出了一种适应于高风电渗透率、大功率缺额条件下的双馈风电机组惯性控制方法,即模式转换法。通过设置系统频率微分、频率偏差逻辑判断条件启动惯性响应,设置转速限制判断条件闭锁惯性响应,实现风电机组在最大功率跟踪工作模式与惯性响应工作模式间自主转换。该方法设置恒定附加电磁转矩步长,惯性响应作用强度不随转速降低而减弱。当系统频率事故发生时,较微分惯性控制方法,模式转换法可使风电机组在稳定运行约束范围内更加有效地抑制系统频率跌落。仿真结果验证了模式转换法的有效性和优越性。     

含风电系统的无功优化调度

针对恒速恒频和变速恒频两类控制模式对风电机组分别进行建模,以系统有功网损最小为目标,以常规发电机和恒电压控制模型风机的无功出力、变压器抽头位置和投入的电容电抗组数为控制变量,建立了含风电系统的无功优化模型。采用原对偶内点算法进行求解,对于模型中的离散变量,提出了优化归整轮流迭代的方法来进行处理。对海南电网汛小方式的算例分析表明,该无功优化模型和方法可以明显地降低系统网损和系统运行成本。     

变速恒频双馈风电机组恒功率非线性控制

为了有效减少变速恒频双馈风电机组额定风速以上时的功率和转速波动,提出了一种同时考虑桨距角和双馈感应发电机转子励磁电压调节的新型恒功率控制策略。在分析风力机特性和双馈感应发电机基本电磁关系的基础上,建立了变速恒频双馈风电机组的非线性数学模型,并利用反馈线性化理论设计了非线性控制器。仿真结果表明,所提出的控制策略与现存的仅...     

基于改进转子转速和桨距角协调控制的变速风电机组一次调频策略

风电机组参与一次调频缓解了传统同步机组的调频压力,但其调频性能受功率跟踪方法的影响,不利于系统频率稳定。为此提出了基于改进转子转速和桨距角协调控制的一次调频策略,在全风速范围内预留调频所需功率裕度,在系统频率波动时能够提供快速且持久的有功支撑,实现对风电机组静调差系数的整定。对比分析不同减载控制策略下机组疲劳载荷和损伤等效载荷,结果表明所提策略可有效降低机组的疲劳载荷,延长使用寿命。最后,通过仿真验证了所提一次调频策略的有效性,频率改善效果优于传统一次调频控制,提高了风电场参与系统频率调节服务的一致性和可预测性。     

新疆电网风电调度计划研究及应用

新疆风能资源丰富,近年来风电发展迅速,风电不易调度的特点已对电网安全造成显著影响。为此,研究基于风电预测及风电接纳能力评估的风电调度计划制定模式,其中所建立的基于软件平台的风电调度计划系统计及地区风资源及电网特点,结合风电预测和火电机组开机计划,综合平衡电网的安全约束和常规机组调峰约束,并辅以功率控制手段,实现了风电调度计划制定的精确性和超前性。实际应用结果表明,该模式能够对日前发电计划安排和日内实时调度发挥前瞻性的指导作用。     

风力发电机组限功率双重优化协调控制策略

变速变桨风力发电机组在限功率运行时,需要对风力机的桨距角和发电机的转速进行调节,以响应风电场的调度指令。为降低机械部件的疲劳程度,在限功率控制过程中应尽量避免对桨距角进行调节。然而,常用的单纯转速优先限功率控制策略不一定能有效地降低桨距角的调节量和调节次数。针对该问题,提出一种双重优化协调限功率控制策略,首先以桨距角及转速调节量为最小对两者的给定值进行一次优化;然后在此基础上,以减少桨距角动作次数为目标对桨距角的给定值进行二次优化,通过对风力机及发电机的优化协调控制,进一步改善风机的机械疲劳程度。最后,在双馈风力发电机组仿真平台上对所提的优化策略进行仿真验证。结果表明：与转速优先及未进行二次优化的限功率控制方法相比,所提控制策略在满足限功率指令的同时,有效降低了风力发电机组的桨距角调节量和机械磨损量2个重要指标,从而减少机组的机械磨损,延长机组寿命。     

A maximum power point tracking control method suitable for compact wind power generators with the passive self‐pitch‐controlled blade structure

This paper describes a maximum power point tracking (MPPT) control method for propeller‐type compact wind power generators with passive self‐pitch‐controlled blades, which quickly makes the output current and voltage converge on the maximum power point based on wind speeds detected from an anemometer. The voltage and current output from these wind power generators vary with wind speeds at locations such as the roofs of buildings. Transient characteristics of the voltage output from compact wind power generators have two modes because of the self‐pitch‐controlled blades: mode I in which the output voltage hardly increases and mode II in which it rapidly increases. Thus, in order to acquire the generated power effectively, irrespective of how the wind speeds may change, a method to perform the MPPT control while searching for mode II is needed. Thus, by judging the mode from the change of the sign of the time differential of the voltage deviation between sampling times, the MPPT control method proposed here makes the output current converge on the maximum point using relationships between the maximum power and optimal current which give the maximum power and the wind speed. Effectiveness of the proposed MPPT control method is verified through simulations and experiments using a wind tunnel. IEEJ Trans 2010 DOI: 10.1002/tee.20609     

Pitch control based on voltage dip detection for improving the LVRT of wind farm

For the stability of power systems including large‐scale generation of wind power, wind farms are expected to fulfill the requirement with the capability to remain connected to the systems during a momentary voltage dip occurring in power networks. This has prompted many utilities to adopt the low‐voltage ride‐through (LVRT) of wind turbine generators (WTGs) as one of the requirements in interconnection of large wind farms. This paper presents a new method of pitch angle control for fixed‐speed wind turbine (FSWT) to achieve LVRT capability improvement. The FSWT is equipped with directly grid‐coupled squirrel‐cage induction generator and the LVRT behavior of such wind turbine is closely related to the overspeeding of wind turbine rotor during voltage dip. If the turbine rotor speed can be reduced quickly during voltage dip so as not to rise over the maximum speed, then the sudden disconnection of WTG can be avoided. The proposed pitch control system can modify the pitch angle in the short response time by the coordination of protective relay. Then the pitch angle is adjusted by a feedback proportional integral controller based on the measurement of induction generator terminal voltage. Simulation study shows that the application of the proposed pitch control system can improve the LVRT performance of a wind farm equipped with FSWTs. © 2011 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

直驱永磁同步风电机组的最优功率运行控制

构建了直驱永磁同步风电机组的最优功率控制模型,包括低风速下的最大风能捕获控制模型和高风速下的桨距角控制模型.最大风能捕获控制以永磁同步发电机输出功率为反馈量,转速为控制对象,桨距角控制以转速为反馈量,桨距角为控制对象.在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了相应的仿真系统,对直驱永磁同步风电机组联网运行进行了仿真分析,对所建立的数学模型和最优功率控制方法的有效性进行了验证.     

双馈风机参与调频的速度控制器模糊协同控制及参数校正策略

双馈风机调频的目的是通过释放转子动能对电网提供有功支撑,然而以速度控制器为代表的固有控制环节,其控制目标是维持转子转速稳定运行,两者控制目标的差异性将会引发调频性能与风机运行安全的冲突。为此,提出了双馈风机调频阶段速度控制器模糊协同控制及参数校正策略。首先,为明确调频阶段风机调频参数特征,利用风机转子动能、桨距角减载与虚拟惯量和一次调频的能量对应模式,提出了风机调频控制环节参数与运行点的映射等值模型;其次,考虑以速度控制器为主的风机固有控制环节,分析了速度控制器参数对惯性响应环节的影响,基于模糊逻辑算法提出了提升电网频率控制效果的速度控制器动态运行算法,缓解了与调频环节间的固有矛盾;最后,构建仿真模型对所提策略进行验证,结果表明所提方法可有效协调风机当前运行点以及风机调频控制、风机固有控制等环节的调频性能,提升电网的频率控制支撑能力。     

提高直驱永磁风机低电压穿越能力的功率协调控制方法

在分析直驱永磁同步风力发电机低电压穿越问题产生机理的基础上,提出了一种适用于直驱风机的新型功率协调控制方法。该方法综合使用改进的双侧变流器和桨距角控制手段,低压暂态时,利用变流器直流母线电容充电储能配合风机转子变速储能承担风机产生的不平衡能量,减弱机组机械轴系所受的冲击作用;使用变桨系统减少风机捕获的风能,减轻机组低电压穿越的负担;通过网侧变流器向电网提供动态无功功率,减小网侧电压的跌落幅度;同时在双侧变流器的控制器中增加协调限流控制环节,用以保证风机有功无功控制目标的有效实现。文中所述方法不附加任何硬件,充分使用直驱风机自身可用的控制手段,能够有效提高直驱风机在全风域范围内的低电压穿越能力。最后,使用DIgSILENT/Power Factory搭建仿真实例,验证了所述方法的实用性和有效性。