Research on Control Strategy of Grid-connected Brushless Doubly-fed Wind Power System Based on Virtual Synchronous Generator Control

The brushless doubly-fed wind power system based on conventional power control strategies lacks ‘inertia’ and the ability to support grid,which leads to the decline of grid stability.Therefore,a control strategy of brushless doubly-fed reluctance generator(BDFRG) based on virtual synchronous generator(VSG) control is proposed to solve the problem in this paper.The output characteristics of BDFRG based on VSG are similar to a synchronous generator(SG),which can support the grid frequency and increase the system ‘inertia’.According to the mathematical model of BDFRG,the inner loop voltage source control of BDFRG is derived.In addition,the specific structure and parameter selection principle of outer loop VSG control are expounded.The voltage source control inner loop of BDFRG is combined with the VSG control outer loop to establish the overall architecture of BDFRG-VSG control strategy.Finally,the effectiveness and feasibility of the proposed strategy are verified in the simulation.

Robust Position Observer for Sensorless Direct Voltage Control of Stand-Alone Ship Shaft Brushless Doubly-Fed Induction Generators

The aim of this paper is to investigate an adaptive sensorless direct voltage control(DVC)strategy for the stand-alone ship shaft brushless doubly-fed induction generators(BDFIGs).The proposed new rotor position observer using the space vector flux relations of BDFIG may achieve the desired voltage control of the power winding(PW)in terms of magnitude and frequency,without any speed/position sensors.The proposed algorithm does not require any additional observers for obtaining the generator speed.The proposed technique can directly achieve the desired DVC based on the estimated rotor position,which may reduce the overall system cost.The stability analysis of the proposed observer is investigated and confirmed with the concept of quadratic Lyapunov function and using the multi-model representation.In addition,the sensitivity analysis of the presented method is confirmed under different issues of parameter uncertainties.Comprehensive results from both simulation and experiments are realized with a prototype wound-rotor BDFIG,which demonstrate the capability and efficacy of the proposed sensorless DVC strategy with good transient behavior under different operating conditions.Furthermore,the analysis confirms the robustness of the proposed observer via the machine parameter changes.

Stability Analysis and Enhanced Virtual Synchronous Control for Brushless Doubly-fed Induction Generator Based Wind Turbines

The brushless doubly-fed induction generator(BDFIG)presents significant potential for application in wind power systems,primarily due to the elimination of slip rings and brushes.The application of virtual synchronous control(VSynC)has been demonstrated to effectively augment the inertia of BDFIG systems.However,the dynamic characteristics and stability of BDFIG under weak grid conditions remain largely unexplored.The critical stabilizing factors for BDFIG-based wind turbines(WTs)are methodically investigated,and an enhanced VSynC method based on linear active disturbance rejection control(LADRC)is proposed.The stability analysis reveals that the proposed method can virtually enhance the stability of the grid-connected system under weak grid conditions.The accuracy of the theoretical analysis and the effectiveness of the proposed method are affirmed through extensive simulations and detailed experiments.

Simulation of grid tracking control of power system connection and maximum power brushless doubly-fed generator in point wind

In this paper, based on the analysis of the mathematical model in a common synchronous reference frame of the brushless doubly-fed generator （BDFG）, the grid connection strategy and maximum energy extraction control were both analyzed. Besides, the transient simula- tion of no-load model and generation model of the BDFG have been developed on the MATLAB/Simulink platform. The test results during cutting-in grid confirmed the good dynamic performance of grid synchronization and effective power control approach for the BDFG-based variable speed wind turbines.

电网电压骤降情况下BDFG风力发电系统的建模与控制

为了在电网电压骤降情况下满足电网对风力发电系统的要求,对无刷双馈电机(BDFG)风力发电系统矢量控制进行了研究,给出了计及电网电压变化时BDFG的控制模型及基于模糊规则参数自整定PI调节器的改进控制策略,并进行了仿真研究。仿真结果表明,该控制方案可以较好地控制BDFG控制绕组电流,降低电磁转矩波动,提高BDFG风力发电系统在电网电压骤降情况下的不间断运行能力。

Fault-tolerant control of an open-winding brushless doublyfed wind power generator system with dual three-level converter

To improve the fault redundancy capability for the high reliability requirement of a brushless doubly-fed generation system applied to large offshore wind farms,the control winding of a brushless doubly-fed reluctance generator is designed as an open-winding structure.Consequently,the two ends of the control winding are connected via dual three-phase converters for the emerging open-winding structure.Therefore,a novel fault-tolerant control strategy based on the direct power control scheme is brought to focus in this paper.Based on the direct power control(DPC)strategy,the post-fault voltage vector selection method is explained in detail according to the fault types of the dual converters.The fault-tolerant control strategy proposed enables the open-winding brushless doubly-fed reluctance generator(BDFRG)system to operate normally in one,two,or three switches fault of the converter,simultaneously achieving power tracking control.The presented results verify the feasibility and validity of the scheme proposed.

电网电压跌落下无刷双馈发电机低电压穿越控制

电网电压跌落的瞬间,风力发电机定子和转子产生冲击电压和冲击电流,对电网安全造成影响。为实现无刷双馈风力发电机低电压穿越,保证风电机组在电网电压跌落下不间断运行,对电网电压跌落下无刷双馈发电机定子电压和电流进行暂态分析,搭建了无刷双馈发电机在功率绕组静止坐标系下的数学模型,推导并分析了电网电压跌落瞬间其功率绕组磁链、控制绕组电压动态变化过程,并提出一种积分滑模直接功率控制与故障穿越控制相结合的控制策略,完成无刷双馈发电机低电压穿越控制。通过MATLAB/Simulink和半实物仿真试验平台进行验证,仿真和试验结果证明所推导功率绕组磁链和控制绕组电压动态变化过程的正确性及控制策略的有效性,该控制策略有效抑制了定子控制绕组侧电压和电流畸变,提高了无刷双馈发电机的低电压穿越性能。

基于EMPC的无刷双馈发电机直接功率控制

针对无刷双馈发电机模型复杂、耦合性强的问题,提出一种基于扩张状态观测器显式模型预测的直接功率控制策略。通过研究定子控制绕组侧电压与功率绕组侧有功功率和无功功率的关系,推导基于d-q旋转坐标系的直接功率控制状态方程,对功率实现解耦控制。针对模型预测控制在线计算的局限性和系统中存在的扰动因素,提出一种基于扩张状态观测器的显式模型预测控制。该控制策略通过扩张状态观测器对扰动项进行补偿,结合显式模型预测控制将模型预测控制中的优化问题移到“线下解决”,该控制策略提高了在线计算速度和精度,同时扩大了模型预测控制的应用范围。详细介绍了该控制策略的设计原理,并对30 kW低功率无刷双馈风力发电机的控制策略进行了仿真验证。结果表明,该控制方案性能良好,能够提高无刷双馈电机的抗扰动能力,特别是提高了转速和功率变化时的稳定性和鲁棒性。

无刷双馈发电机双向变换器内模—前馈复合控制方案

双向变换器具有功率双向流动、功率因数可调等优点,常作为双馈型风力发电机的励磁系统,当机侧的工作状况突变时,会引起直流侧电压较大的波动。为在稳定直流母线电压的前提下减少交—直—交变换器中电容容量,提出了内模解耦控制和负载功率前馈控制的复合控制方案,使前馈补偿量能抵消负载干扰量。分析和比较了小信号模型,在MATLAB/Simulink环境下建立无刷双馈发电机的仿真系统,仿真分析结果表明复合控制策略快速地实现了直流电压的稳定,极大改善了直流母线电压的控制效果,验证了控制方案的有效性和可行性。

无刷双馈发电机风力发电系统的建模与控制

从转子参考坐标系dq模型出发,研究功率绕组和控制绕组双同步MT坐标系下的无刷双馈发电机(BD-FG)数学模型,建立了包括BDFG、风力机及机械传动链的风力发电系统数学模型。根据风力机和BDFG的特性,采用定子功率绕组磁链定向的矢量变换控制技术,给出了一种功率控制策略。该策略通过控制发电机控制绕组的交流励磁,实现BDFG风力发电系统有功、无功功率的解耦控制和最大功率追踪控制(MPPT)。仿真结果验证了所提出建模与控制方案的正确性和有效性。

基于新的T型稳态模型的独立无刷双馈发电机性能分析

无刷双馈发电机是一种新型的双定子绕组感应发电机,它的两套绕组(功率绕组和控制绕组)都被固定在定子上。本文提出了一种新的T型稳态模型。相对于常规Π型稳态模型和简化的内核稳态模型,这种新的T型稳态模型更适合于独立无刷双馈发电机的性能分析。基于所提出的T型稳态模型,对无刷双馈发电机的功率流和控制绕组电流特性进行了理论分析,并且通过实验验证了分析结果的正确性。该分析结果表明独立无刷双馈发电机在超同步速运行时有更优的性能,并且为进一步提高无刷双馈发电机独立发电系统的动态性能奠定了基础。

船舶轴带无刷双馈电机短路电流分析与保护设计

当船舶轴带无刷双馈电机(BDFG)功率绕组发生三相短路故障时,短路电流会对系统造成较大的危害。因此,有必要设计专门的保护电路保障系统的安全。利用空间旋转坐标系,建立船舶轴带BDFG功率绕组三相短路时的动态方程,并依据磁链守恒定律研究系统短路电流的变化特性。通过分析短路电流的各个分量,提出加入撬棒电阻和直流卸载电路的保护方式来卸载过电流,并进一步研究加入保护电路后的电流变化特性。以1台30kVA的BDFG为仿真对象,运用MATLAB/Simulink进行模型仿真和理论值计算,验证了保护电路的有效性,对船舶轴带BDFG电气安全设计具有指导意义。

无刷双馈发电机绕组相对位置变化对电感的影响

本文在基本绕组函数法理论的基础上,提出一种改进的绕组函数法,并以此来计算绕组结构复杂的磁阻型转子无刷双馈电机定子功率和控制两套绕组的各自自感及互感,并结合有限元分析结果验证了该改进的计算方法的有效性。然后,基于此改进的计算方法研究了定子两套绕组相对位置的变化对各自的自感及互感的影响。分析结果表明,定子两套绕组相对位置的变化对它们之间的互感有一定的影响。

无刷双馈分布式发电系统控制策略研究

针对有刷双馈电机应用在分布式发电领域中时,由于其自身的有刷结构所导致的可靠性较低等问题,提出了无刷双馈分布式发电系统,省却了电刷结构,提高了可靠性。鉴于无刷双馈发电机为高阶、非线性、强耦合系统,为实现无刷双馈发电机在分布式发电系统中的稳定运行,通过引入磁场定向与相位跟踪控制环节的方法,根据无刷双馈发电机的双同步速数学模型,推导出可适用于分布式发电系统的无刷双馈发电机控制策略,实现了对其输出变量的解耦控制。仿真结果证实了所提出的控制策略可使得分布式发电系统中的无刷双馈发电机能够进行变速恒频发电。

一种复合转子无刷双馈风力发电机直接功率控制研究

无刷双馈发电机无电刷和集电环,具有免维护而可靠性高、变流器容量小等优点,极有可能竞争目前风电系统中普遍使用的传统有刷双馈感应发电机和永磁同步发电机。针对新型复合转子结构无刷双馈风力发电机功率绕组有功和无功功率的控制需求,按照控制绕组磁链所在扇区,采用查表方式确定控制绕组机侧变流器的电压空间矢量,进而对其最大功率跟踪及单位功率因数等进行有效的直接功率控制。通过对比8/4极25kW样机测试系统的仿真与实验结果,证明了所提复合转子无刷双馈风力发电机直接功率控制的正确性、可靠性和有效性。

独立运行无刷双馈发电系统负载侧变换器暂态无功电流补偿

独立运行的无刷双馈发电系统在突加阻感性负载时,定子功率绕组输出电压产生的瞬时电压跌落过大不能满足供电质量的要求,该文通过负载侧变换器补偿负载无功电流以减小瞬时电压跌落幅值并使之快速恢复。文中分析了突加阻感性负载无功电流和发电机输出端电压的瞬态特性,指出补偿暂态无功电流分量会加重端电压的暂态不平衡,提出了暂态过程只补偿稳态无功电流分量的补偿策略,并采用改进的无功电流检测算法以及滑动均值滤波器提高了检测无功电流稳态分量的快速性。实验结果验证了补偿策略的有效性。

基于改进PSO的无刷双馈风力发电机优化设计

以无刷双馈风力发电机(BDFG)为研究对象,建立BDFG的优化设计模型,提出相应的优化目标、优化变量和约束条件。针对粒子群优化(PSO)算法易出现早熟收敛及陷入局部最优的现象,提出一种全参数振荡粒子群优化(OAPS-PSO)算法。在此基础上,采用OAPS-PSO算法对一台5 k W的BDFG样机进行优化设计,分别以有效材料成本最低和平均效率最高为优化目标,得出两套BDFG优化方案。结果表明,通过优化可使样机的有效材料成本下降6.9%或平均效率提高3.3%,说明该文提出的OAPS-PSO算法可有效应用于BDFG的优化设计。

无刷双馈风力发电系统的转速自抗扰控制

针对变速、恒频风力发电系统具有非线性、强耦合的特点,结合无刷双馈电机的结构特点及基本理论,导出其在发电状态下的转子速dq轴电压、电流方程式,并以此为基础构建了无刷双馈发电机(brushless doubly-fed generator,BDFG)在双同步坐标系下的数学模型。对控制绕组子系统对应的转子磁链进行观测,引入自抗扰控制(active-disturbance rejection control,ADRC)策略实现转速解耦控制,使发电机转速跟踪风速变化,获得最佳叶尖速比;调节控制绕组频率,在低风速下可达到最大风能跟踪控制和变速恒频发电的目的。仿真结果表明:磁链观测器能较准确估计控制绕组子系统对应的转子磁链,ADRC受系统参数变化的影响较小,具有较强的鲁棒性和适应性,改善了系统的控制品质,验证了控制策略的可行性。

无刷双馈风力发电机的直接功率控制仿真研究

无刷双馈发电机具有变流器容量小、可靠性高及免维护等优点,极可能替代目前广泛使用的双馈感应发电机和永磁同步发电机。本文提出了一种新型复合转子无刷双馈风力发电机的直接功率控制方法,即将功率绕组的有功和无功功率作为滞环比较器的输入信号,再根据控制绕组磁链所在扇区号,用查表方式确定机侧变流器需要采用的电压空间矢量,以实现变速恒频风力发电系统的最大功率跟踪及单位功率因数控制。经8/4极25 kW样机的MATLAB仿真研究,结果验证了所提直接功率控制在新型复合转子无刷双馈风力发电中的正确性和有效性。

开绕组无刷双馈发电机直接功率控制研究

针对开绕组无刷双馈电机模型复杂且耦合性强的问题,提出一种适用于开绕组无刷双馈电机的新型直接功率控制方法。通过研究定子控制绕组侧电压与功率绕组侧有功功率和无功功率间的关系,推导出基于d-q坐标系的直接功率控制状态方程,实现有功和无功功率的解耦控制。针对传统滑模控制器抖振及不连续高频开关控制等缺点,设计了基于新型趋近律的超扭曲滑模控制器,建立了开绕组无刷双馈发电机新型超扭曲滑模直接功率控制系统的仿真模型,并给出了不同工况下的仿真结果,验证了该功率方程模型的正确性和新型超扭曲滑模控制方法的有效性和鲁棒性。