基于自适应谐振调节器的变速恒频风力发电双馈驱动研究

在常规矢量控制策略中，通常采用空间矢量PWM技术获得较高的电压利用率。但双馈发电机多运行在同步转速 范围内，这使双馈电机调速时的转子电势通常比电网电压低，因此转子侧变流器适合采用正弦波PWM(SPWM)控制。对此，提出一种基于自适应谐振调节器的双馈电机矢量控制策略。该控制策略采用SPWM控制，实现了相对于转子静止(电频率)的abc坐标系中转子电流的无静差控制，且具有常规矢量控制策略中有功功率和无功功率解耦控制的特点。另外，对自适应谐振调节器参数设计及其DSP实现进行了讨论。仿真与试验验证了控制策略的正确性。     

引入比例-谐振控制器的双馈风电机组空载并网控制

在常规的变速恒频风力发电系统空载并网矢量控制策略中,由于转子电流采样信号的漂移以及模数转换的偏差等原因,使得所控制的转子电流中出现直流偏量。此直流偏量经dq变换产生转差频率的交流量,而比例—积分（PI）控制器在跟踪交流信号时存在静差,因此导致双馈感应发电机（DFIG）空载定子电压包络线出现不同程度的脉动,从而严重影响系统并网性能。提出了PI控制与比例—谐振（PR）控制相结合的空载并网控制策略,对转差频率的交流量进行补偿,进一步改善常规PI控制存在的不足,提高空载定子电压电能质量。在前述理论分析基础上进行了仿真和实验研究,通过与PI控制的对比,验证了PI并联PR控制的有效性。     

磁障转子无刷双馈电机的异步双馈调速特性研究

基于无刷双馈电机的磁场调制机理,阐述无刷双馈电机异步双馈运行的工作原理。根据场路耦合法,通过调节控制绕组外接电阻值,对磁障转子无刷双馈电机的异步双馈运行进行仿真与实验研究。仿真和实验结果表明,磁障转子无刷双馈电机的转速在异步双馈运行下仍满足对无刷双馈电机的性能要求。     

基于定子电流正弦化的双馈风电系统低电压穿越强励控制

基于Crowbar电路的低电压穿越实现了双馈风电机组的系统保护和不脱网运行。Crowbar电路的应用使得网压跌落时转子变流器闭锁,转子电流处于暂态过程。针对采用Crowbar电路实现低电压穿越过程中,双馈风电机组系统对电网产生暂态电流冲击而存在的不足,文中提出一种基于转子电流源控制的低电压穿越强励控制策略,通过强励实现低电压穿越过程定子暂态直流磁链分量的补偿,以实现低电压穿越过程中定子电流的正弦化。由于在静止坐标系中引入直流磁链补偿,在转子dq旋转坐标系控制方程中引入了工频交流分量,因此文中提出了一种基于多分量增益的比例谐振(PR)并联调节器,并通过该并联调节器的闭环传递函数分析对调节器参数进行整定,实现了控制带宽范围内直流电流分量与工频交流电流分量的无静差控制。仿真及实验结果验证了理论分析的正确性,为双馈风电系统的低电压穿越控制提供了一种高性能的控制策略。     

内模控制的并网型双馈电机风力发电系统

交流励磁双馈式风电系统已成为变速恒频风力发电的主流。为提高存在较大扰动时系统的性能,在推导了发电机惯例下双馈电机的动态数学模型后提出用S函数描述双馈电机的数学模型,开发了基于状态方程的双馈电机空载运行和发电运行的子系统模型,设计了用内模控制策略实现转子电流内环和转速外环的控制,并通过基于定子磁链定向的解耦控制实现了有功和无功功率的解耦,然后在Matlab/Simulink环境下建立了完备的并网运行变速恒频双馈风力发电系统模型。针对850kW系统在转速变化和大电网扰动下的响应特性进行的仿真研究结果显示,提出的双馈式风电系统模型具有较好的控制性能和较快的动态响应速度。     

双馈电机无速度传感器控制算法研究

为解决电网不对称条件下,双馈电机转速、转子位置估算不准确问题,从而解决无速度控制算法无法工程化应用问题,提出一种基于比例积分谐振(PIR)闭环控制器的自适应控制器的无速度传感器控制算法。分析了速度估算原理与实现方法及无速度传感器控制策略研究。搭建2 MW的双馈异发步电机(DFIG)背靠背及电网跌落装置试验台,验证了在电网对称、不对称条件下,估算转子位置在不同转速和功率下都能准确跟踪实际值,确保有功、无功解耦的准确控制,证明了所提方案的可行性。并成功应用到商业化风机上,在风力发电场也得到验证。     

基于PSCAD的双馈式风力发电系统柔性并网研究

双馈式风电机组已成为风电领域应用最为广泛的一种主流机型。推导了双馈电机在发电机惯例下的动态数学模型,用内模控制实现双馈电机转子电流内环和转速外环的控制,提出了基于内模控制的柔性并网运行控制策略,应用PSCAD／EMTDC建立了完备的2MW并网运行双馈式风力发电系统仿真模型,对风速突变时系统柔性并网响应特性进行了细致的仿...     

一种消除双馈电机转矩脉动的磁场重构方法

电网电压不平衡和电网电压谐波会恶化风力发电中双馈电机(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)的性能,并且在电机中引入转矩脉动。本文从电磁场的角度,提出了一种双馈电机内部磁场重构方法(Field Reconstruction Method,FRM),通过对转子电流的优化选择来减轻转矩脉动。文章首先阐述了转矩脉动的危害及传统解决办法,分析了电压不平衡和电压谐波对DFIG性能造成影响的机理,最后提出了实现转子电流优化的流程。     

双馈风力发电系统双PWM变换器比例谐振控制

在双馈风力发电系统功率变换器及发电机数学模型的基础上,结合比例谐振(proportional resonant,PR)控制器的特性,提出了双脉宽调制(pulse-width modulation,PWM)变换器PR控制策略。该方法充分利用了PR控制器能够在静止坐标系下对交流输入信号无静差控制的优势,将矢量控制策略下的有功电流和无功电流分量转换到静止坐标系下进行调节,实现网侧变换器维持直流电压稳定和调节功率因数的控制任务和双馈电机有功、无功功率的解耦控制,与传统的双闭环PI控制相比,该策略无需繁琐的坐标旋转变换,不存在受温度及电路参数影响的耦合项和前馈补偿项,且易于实现对系统低次谐波电流的补偿,减小了控制算法实现难度,提高了控制系统的鲁棒性和电网电能质量。     

同步坐标下无刷双馈电机自抗扰控制

无刷双馈电机采用传统非线性比例积分微分控制器控制时,其速度和负载转矩动态响应性能不佳,自抗扰控制策略可加以改善。基于此,根据无刷双馈电机同步速旋转坐标系下的电压、磁链和转矩方程,采用模型参考自适应方法观测转子磁链在控制绕组中的分量;设计4个自抗扰控制器分别控制无刷双馈电机的控制绕组磁链、转速和定子电流,应用扩张状态观测器估算出系统的状态变量及其广义导数,实现电机的精确解耦。在MATLAB/Simulink环境下建立系统仿真模型并进行仿真分析,仿真结果表明,自抗扰控制策略可快速跟踪给定转速,受系统参数变化的影响较小,提高了系统的稳定性和鲁棒性。     

基于定子电流特征分析的双馈风电机组叶轮不平衡故障诊断

针对双馈风电机组叶轮不平衡故障诊断,提出一种基于导数分析的定子单相电流故障特征分析方法。首先,基于双馈感应发电机以及风力机传动链模型,详细推导了叶轮不平衡故障下双馈感应发电机定子电流的表达式,并获得其对应的故障特征频率。其次,为了凸显定子电流故障特征频率,基于导数分析思路,引入叶轮不平衡下定子电流故障特征定义及其表达式,提出基于定子单相电流的叶轮不平衡故障诊断方法。最后,建立考虑叶轮不平衡故障的双馈风电机组仿真模型,对机组在不同风速和不平衡度下的故障特征进行仿真分析。结果表明与直接对定子电流、叶轮转速进行频谱分析相比,所述方法能够有效地提取出叶轮不平衡故障特征,且通过监测特征频率幅值的变化情况,可以有效地判断出不平衡故障严重程度。     

解耦辨识双馈风电机组转子侧控制器参数的频域方法

转子侧控制器主导了双馈风电机组的动态,对其进行准确建模至关重要。针对转子侧控制器模型结构复杂、存在相互影响的问题,推导了转子侧控制器的解耦模型。基于该解耦模型,提出通过在输入信号的参考值上施加伪随机信号,根据输入信号和输出信号的自功率谱和互功率谱,辨识转子侧控制器各参数。与灵敏度比较发现,参数辨识精度与灵敏度结果一致。最后指出:即使转子侧控制器内环参数的辨识精度偏低,也基本不影响对双馈风电机组机电暂态过程的分析。     

考虑双馈异步发电机转速限制的电网频率协调控制策略

双馈异步发电机(DFIG)参与惯性调频能减小频率变化率,一次调频能减小稳态频率偏差。为解决上述两种策略协调控制过程中因频率偏差和微分系数选择而易导致异步发电机转子转速越限的问题,提出一种考虑转速限制的电网频率协调控制策略。通过控制DFIG的输出功率,确保转速偏差和频率偏差成正比。以转子转速为约束,整定频率信号的比例系数。根据电网频率变化情况,调整输出功率参考值,使得转速保持恒定,且有利于频率的恢复。仿真结果验证了所提策略能有效防止转子转速越限,有助于提高系统频率的稳定性。     

基于风速和空气密度估计的最大风能捕获

针对基于双馈电机(doubly fed induction generator, DFIG)的风力发电系统,讨论了无风速测量数据情况下的最大风能捕获问题。准确的风速估计必须考虑空气密度的变化,给出通过对风机状态的离散采样实现空气密度估计的方法,利用修正后的空气密度对风速进行更为准确的估计,从而得到最优的转速设定,实现风能的最大捕获。控制器采用矢量控制技术,即利用转子侧电流的q轴分量进行转速控制,利用d轴分量实现系统铜耗的最小化。采用比例-积分控制器实现了上述控制目标。仿真分析验证了上述控制策略的有效性。     

双馈风力发电矢量控制电流环参数特性分析

基于dq坐标系模型的矢量控制是双馈风力发电中应用较广的控制策略,但一般都按照并网前和并网后2种模式进行研究。文中建立了并网前后的双馈电机统一数学模型,并将控制器与双馈电机转子方程统一为一个4阶模型。详细分析了转子电流环控制参数对系统控制性能的影响,提出了控制参数的设计原则和方法,最后通过仿真验证了这种方法的有效性和实用性。     

可模拟绕组内部故障的双馈风力发电半实物实时仿真平台

双馈风力发电机(DFIG)系统控制复杂,离线仿真与传统全实物的故障试验存在一定局限性。在控制功能强大的MATLAB/Simulink环境下构建基于d SPACE1007系统的双馈风力发电系统半实物实时仿真平台,解决可模拟绕组内部故障的实物电机、d SPACE与Simulink软件三方联调时的数据接口与控制问题。试验结果表明,该平台在DFIG定、转子匝间短路故障工况下,通过Control Desk界面可灵活改变控制参数及算法,实现电机绕组内部故障状态下的容错运行,为DFIG故障检测和容错控制研究提供硬件平台。     

双馈风电机组虚拟惯量控制对系统小干扰稳定性的影响

含虚拟惯量控制的双馈风电机组与电力系统的动力学特性存在耦合关系,而锁相环的跟踪能力将直接影响虚拟惯量的控制输入量,因此,考虑虚拟惯量控制的双馈风电机组在锁相环作用下,对系统小干扰稳定性的影响成为亟需解决的问题。首先,计及双馈风电机组的转子电压、锁相环、虚拟惯量控制、转子侧变频器、风电机组机械部分等暂态特性,建立了考虑锁相环与虚拟惯量控制的双馈风电机组并网的互联系统小干扰模型。在此基础上,考虑到锁相环与虚拟惯量控制均会影响同步发电机振荡模态,采用解析的方法从机理上揭示了二者共同作用下系统的小干扰稳定性,即对于含虚拟惯量控制的双馈风电机组,锁相环主要通过影响虚拟惯量对系统的参与程度进而影响系统阻尼:锁相环比例—积分(PI)参数越小,虚拟惯量控制状态变量对区间振荡模态的参与因子越小,机电振荡模态阻尼比越大,这与不含虚拟惯量控制的双馈风电机组中锁相环对系统阻尼特性的影响相反。仿真结果验证了所建模型的合理性与分析结果的正确性。     

应用于风力发电系统中的撬棒阻值整定新方法

在电网发生电压跌落故障的情况下,双馈异步发电机(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)多采用撬棒保护电路以实现低电压穿越(Low Voltage Ride Though,LVRT),而撬棒阻值的选择对机组的LVRT效果影响很大。从DFIG在电压跌落故障下的暂态数学模型出发,运用空间矢量分析和拉普拉斯变换的方法,推导出风电机组在电压跌落故障下的暂态电流时域表达式、转子侧故障电流的计算式。由此提出一种切合工程实际的撬棒阻值整定方法,解决了投入撬棒保护电路后转子侧出现过电流和直流母线过电压的问题。算例及仿真实验数据均表明,采用该方法可有效抑制暂态故障分量,显著提高风力发电系统的LVRT水平。     

基于Attention-GRU的短期电价预测

通过分析得出电价与负荷具有相关性,因此在电价预测模型中需要考虑实时负荷的影响。在此基础上针对前馈神经网络不能处理时序数据的缺陷与LSTM神经网络预测速度慢的问题,提出了一种基于Attention-GRU (Attention gated recurrent unit, Attention-GRU)的实时负荷条件下短期电价预测模型。该模型充分利用电价的时序特性,并采用Attention机制突出了对电价预测起关键性作用的输入特征。以美国PJM电力市场实时数据为例进行分析,通过与其他几种预测模型相比,验证了该方法具有更高的预测精度;与LSTM神经网络相比具有更快的预测速度。     

Dynamic response of doubly fed induction generator variable speed wind turbine under fault

The performance of doubly fed induction generator (DFIG) variable speed wind turbine under network fault is studied using simulator developed in MATLAB/SIMULINK. Simulation results show the transient behavior of the doubly fed induction generator when a sudden short circuit at the generator bus is introduced. After the clearance of the short-circuit fault the control schemes manage to restore the wind turbine's normal operation. The controller performance is demonstrated by simulation results both during the fault and after the clearance of the fault. A crowbar is used to protect the rotor converter against short-circuit current during faults.