永磁直驱型风机海上风电送出系统不对称接地及甩负荷电磁暂态研究

为明确海上风电交流送出系统过电压的特征与水平,需考虑风电机组的故障穿越特性。该文结合永磁直驱风机变流器的控制原理,提出海上风电送出系统不对称接地过电压的解析计算方法。基于PSCAD对风电机组进行精确电磁暂态建模与故障电压穿越测试,以国内某500 kV大规模海上风电工程为背景,仿真计算送出系统不对称接地及甩负荷过电压。结果表明:系统不对称接地过电压大小与风机正负序控制策略有关;海缆电网侧甩负荷将产生持续百ms的1.3 pu以上的暂态过电压,风机过电压保护动作延时越长,暂态过电压越严重。实际海上风电工程计算需紧密联系风机控制保护策略及其参数,并综合关键设备耐压水平进行评估,通过风机控制策略优化可以降低系统过电压水平。

永磁式直驱风机应急偏航控制优化方法

在永磁式直驱风机应急偏航控制中,难以预测环境风力变化情况,导致控制超调量大,为此,提出了永磁式直驱风机应急偏航控制优化方法。建立偏航液压设备数学模型,分析蓄能器连续性方程和偏航电机线性化流量方程。预测永磁式直驱风机工作位置风况,获取风机叶片与风速矢量之间的控制角和偏航参数之间的耦合方程,制定耦合矢量,实现永磁式直驱风机应急偏航控制优化。研究结果表明,在不同湍流强度、风向、风速工况下,设计方法的功率优化率能够达到10%以上,其优化率高达19.03%,验证了方法有效性。

永磁直驱风电系统MPPT无模型固定时间滑模控制

针对永磁直驱风力发电系统在最大功率跟踪过程中因内部参数变化和外部扰动导致跟踪性能下降的问题,提出一种无模型固定时间积分滑模控制(model free fixed-time integral sliding mode control,MFFTISMC)方法。首先,构建了永磁同步电机转速环的新型超局部模型。基于该模型,结合固定时间理论设计了无模型固定时间积分滑模控制器,确保系统状态固定时间内收敛,利用Lyapunov函数证明了该控制器的收敛性。同时,为提高系统的抗干扰能力和跟踪性能,设计扩张扰动观测器(extended disturbance observer,EDO)对新型超局部模型中的未知扰动在线估计并以前馈补偿的方式补偿给控制器。最后,通过仿真对比,验证了该方法具有响应速度快、抗扰能力强的特点,能够在风速突变情况下快速实现最大功率跟踪。

基于模糊免疫算法和PLC的永磁直驱风电系统变桨增益控制方法

为保证永磁直驱风电系统的可靠、稳定运行,提出基于模糊免疫算法和可编程逻辑控制器(PLC)的永磁直驱风电系统变桨增益控制方法。对永磁直驱风电系统运行气动特性进行了分析,确定风速对其气动特性的影响;以PLC控制器为核心,引入模糊比例-积分-微分(PID)控制算法,并在控制器中引入变增益因子形成增益控制参数;将发电机转速和功率作为该算法的输入量,实现叶尖速比和桨距角的自动调节。采用免疫算法对增益控制参数进行优化,以此提升模糊PID算法的动态性和静态性,保证了变桨增益控制效果。测试结果显示,该方法依据发电机转速和功率作为控制输入量较合理,有效控制风轮转速在1 r/min以内,功率变化范围在7.2~7.5 kW之间,风能利用能率在70%~80%之间,最大超调量为3.32%,控制效果良好。

永磁直驱风电系统机侧变流器控制策略仿真研究

永磁直驱风电系统机侧变流器的控制目标是在风速变化时,风电机组仍能实现最大风能追踪并保持稳定运行。通过建立风力机模型、永磁直驱同步发电机的数学模型,对零d轴控制法、单位功率因数控制法两种机侧变流器控制策略进行了理论对比分析,并通过仿真系统在风速恒定与变化情况下分别对两种控制策略进行了仿真验证,得到了单位功率因数控制法在过风速情况下风电机组更容易保持稳定运行的结论。

轨道交通列车永磁直驱黏着利用控制策略研究

永磁直驱系统轮轨列车具有取消传动齿轮结构、电机给定力矩大等特点,但在轮对空转滑行状态下,相比异步牵引系统列车,其黏着输出力矩的波动幅度大,降低了列车的轮轨黏着利用率并影响乘坐舒适性。对此,文章提出了一种线路自适应黏着利用控制方案,其首先指定最能反映轮轨当前黏着状态的输入条件进行模糊规则判断,然后通过所得到的调整因子对蠕滑速度、加减速度的检测阈值进行实时调整,使得检测阈值与当前线路黏着状态相匹配,能更及时、准确地检测出空转滑行状态,避免因黏着输出力矩卸载不及时而导致大的空转滑行,影响黏着输出力矩的发挥和波动幅度;在力矩恢复阶段,通过计算黏着力矩设定值来调整力矩恢复斜率,改善黏着输出力矩波动幅度。采用该黏着利用控制方案后,黏着利用率提高了近7个百分点,黏着输出力矩的最大波动幅度由46%左右下降到20%左右,提高了列车在空转滑行状态下的牵引力水平,改善了列车的平稳性和舒适性等动力学指标。

基于前馈补偿的永磁直驱电机低速抗扰动滑模控制策略

研究了一种基于前馈补偿的永磁直驱伺服电机低速抗扰动滑模控制策略,用以提高低速运行时速度控制的稳定性。通过调整不同系统状态下的滑模面趋近速度,构造了一种新型指数趋近率函数,使得系统在滑模面附近切换更加平滑;为了提升负载突变等恶劣工况下系统的扰动抑制能力,引入降阶扰动观测器对系统受到的转矩扰动进行观测,并进行前馈补偿,通过前馈补偿与改进趋近率组合的方式提高系统的鲁棒性。仿真和实验结果表明,该控制策略对永磁直驱伺服电机低速运行时的多种扰动具有明显抑制效果。

基于NLESO的永磁直驱风力发电最大功率追踪滑模控制

针对传统控制器在永磁直驱风力发电机中进行最大功率跟踪时响应速度慢、追踪精度低等问题,提出了一种基于改进指数趋近律和非线性扩张状态观测器(non-linear extended state observer,NLESO)的滑模控制方法。该方法使用连续函数代替符号函数sign(s),引入增益函数设计改进指数趋近律以加快系统响应速度;将传统扩张状态观测器(extended state observer,ESO)中fal函数替换成一种非线性函数,并基于此设计NLESO以提升系统抗扰动能力,结合二者设计改进滑模控制器取代传统PI控制器。在MATLAB/Simulink上构建模型,结果表明,渐变风突变过程无超调,风速突变后再次平衡时间从0.054 s减少到0.028 s,自然风过程中系统能精准追踪上额定转速,证明了该控制方法具有超调量小、响应速度快、追踪精度高等特点。

智能永磁直驱技术在矸石山提升机中的应用

枣庄矿业集团公司高庄煤矿矸石山绞车采用永磁直驱系统,控制实现主从跟随,转矩和速度平衡,并且可通过调节频率,实现软启、软停,永磁直驱系统将机械传动效率提高到98.5%,电动机额定效率可达96%。在控制方式上,采用全矢量控制,实现转矩和速度调节,对节能增效、减轻检修人员的劳动强度具有重要意义。

基于PLC的直驱永磁风电机组机械谐振自动控制方法

为降低变流器的滤波器滤波电容扩大引起的电力系统谐振恶化情况,提出了基于可编程逻辑控制器(PLC)的直驱永磁风电机组机械谐振自动控制方法。首先,基于直驱永磁风电机组结构,构建风力机空气动力模型,分析全功率变流器的功率特性,研究直驱永磁风电机组机械谐振特性;其次,结合研究结果采用PLC编制相关控制程序,应用参数自整定模糊PID控制方法在PLC的中央处理器内保存、处理所编制的程序以及风电机组相关设置;最后,经由中央处理器调动相关指令信息后,以信号形式返回至执行机构完成指令,实现直驱永磁风电机组机械谐振控制。实验结果表明:该方法可较好地抑制直驱永磁风电机组机械谐波电流;全功率变流器并网三相输出侧的电压、电流可在0.10 s内恢复稳定,滤波器三相、单相输出侧的输出电压分别在约0.02、0.12 s接近稳定;同时可有效抑制非线性负载对直驱永磁风电机组电流的扰动。

直驱式永磁直线电机深度模糊滑模-自抗扰控制

针对直驱系统中各种非线性干扰直接作用下的永磁直线电机控制性能恶化的问题,提出一种深度模糊滑模-自抗扰控制方法。首先,通过非线性扩张状态观测器估计系统不确定扰动,在滑动面设计中引入跟踪误差的积分项,结合饱和函数sat(s)与位移误差的幂函数设计趋近律,从而改进滑模-自抗扰控制方法;其次,为避免设计过程中的主观影响,进一步提升直线电机在复杂工况下的适应能力,基于深度神经网络训练模糊规则,进而调节滑模控制的关键参数。采用所提方法在直驱泵性能测试平台进行了实验研究,结果表明:所提深度模糊滑模-自抗扰控制方法有效提高了直线电机控制精度、响应速度与鲁棒性,直线电机的阶跃响应时间相对于传统滑模控制方法提升了23.87%;正弦目标跟踪的ITAE指标改善是传统滑模控制方法的4.7%、是改进滑模-自抗扰控制方法的13.2%;在传感器白噪声干扰下,正弦目标跟踪的最大跟踪误差相对于改进滑模-自抗扰控制方法改善了一个数量级。

智能永磁直驱系统在带式输送机中的应用

针对带式输送机驱动系统传动效率低、转矩不足、电量耗费大的特点,以挖金湾矿研究试点,将智能永磁直驱系统应用于带式输送机中,论文详细介绍了该系统的基础构造与运行原理;实践表明,该系统能够有效提高带式输送机运行效率与稳定性,经济效益显著,相较于原驱动系统,传动效率提高了约8%,系统能耗降低了10%以上,有效降低了吨煤产出成本,实现了带式输送机系统安全高效运行的目标。

基于CPU-FPGA的永磁直驱风机系统多速率实时仿真

在对永磁直驱风机系统进行实时仿真时,传统的基于多核中央处理器(Central processing unit,CPU)的实时仿真平台已无法满足亚微秒级仿真步长的需求。针对该问题,引入现场可编程门阵列(Field programmable gate array,FPGA),提出了基于FPGA与CPU的永磁直驱风机系统异构多速率实时仿真方法。将永磁直驱风机系统按照仿真步长需求切割为大步长与小步长系统,分别于CPU与FPGA中联立运行;对该方法所产生的异步通信问题进行了优化。搭建仿真平台并进行实时仿真实验,将仿真结果与Simulink离线仿真结果进行对比;实验结果验证了该实时仿真方法的可行性与准确性。

基于高阶ESO的永磁直驱风电系统快速终端滑模控制

针对永磁直驱风力发电系统非线性强和风速多变问题,提出一种基于高阶扩张状态观测器HOESO(highorder extended state observer)的最大功率跟踪控制方法。首先利用高阶扩张状态观测器精确估计出由风速突变引起的系统转矩和转速变化,然后将其前馈补偿到快速终端滑模控制器中抵消干扰,增强系统的抗扰能力和鲁棒性。仿真结果表明,该方法能够实时估计风速引起的转矩扰动,转速控制精度高,实现最大程度利用风能。

永磁直驱式风机采用混合直流并网的控制策略

提出一种永磁直驱式风机经混合直流系统并网的拓扑,直流系统整流侧采用模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC),逆变侧采用电网换相换流器(line commutated converter,LCC)。该系统结合了MMC和LCC各自的优点,既可以为风电场无源系统提供电压支撑,又可以降低投资成本和运行损耗。MMC可以通过子模块投切瞬间改变直流侧级联子模块输出的总电压。基于此项特性,提出整流侧MMC控制直流电流的方法,将MMC的控制维度从交流侧拓展至直流侧。仿真结果表明,在逆变侧主网发生远区故障时,整流侧MMC可以抑制直流电流增长,降低换相失败发生的机会;在逆变侧发生换相失败后,可以帮助系统平稳地恢复直流功率,实现故障穿越功能。

虚拟惯量控制对直驱风电机组载荷影响的分析及评估

针对虚拟惯量控制诱发风电机组机械载荷的问题,开展虚拟惯量控制对采用直驱永磁同步发电机(D-PMSG)的风电机组载荷影响的理论分析和仿真评估研究。从叶片、塔筒等机械结构低阶模态出发,建立虚拟惯量控制下D-PMSG线性化多体动力学模型,并通过线性化多体动力学模型分析虚拟惯量控制对机组载荷的影响机理。采用软件联合建模方法,构建涵盖永磁同步电机及其控制、电网、机械和气动特性等的D-PMSG非线性机电耦合模型。依据冲击载荷最大值、最大变化幅度百分比及等值疲劳载荷等指标,通过所建立的非线性机电耦合模型仿真分析并量化评估虚拟惯量控制对机组冲击载荷和动态疲劳载荷的影响。结果表明,D-PMSG附加虚拟惯量控制后,电网侧频率突变会使得传动轴和塔底侧向出现显著冲击载荷,且其随虚拟惯量时间常数增大而增大,在湍流风运行工况下机组传动轴和塔底侧向等值疲劳载荷较无附加虚拟惯量控制均有所减小。

永磁直驱风电全功率变流器并联控制方法研究

为提高永磁直驱风电全功率变流器并联控制精度,研究了永磁直驱风电全功率变流器并联控制方法。首先分析永磁直驱风电全功率变流器并联拓扑结构,建立永磁直驱风电全功率变流器模型,再计算无功功率受有功功率波动造成电压幅值产生波动,结合虚拟阻抗控制方法,实现对永磁直驱风电全功率变流器的并联控制。实验结果表明,采用该方法控制永磁直驱风电全功率变流器并联运行的机侧环流与网侧环流波动较为稳定,且环流控制精度较高,最高可达到99%,验证了该方法的控制性能。

不对称故障下永磁直驱风机故障相电压支撑优化控制

电网发生短路故障时,风机需要向系统提供无功功率支撑电网电压恢复。弱电网不对称故障时如果只向系统注入正序无功功率,在提升故障相电压的同时会导致非故障相电压抬升,加剧风机机端三相电压不平衡度,因此需要风机注入一定的负序无功功率来抑制非故障相电压抬升。为了进一步优化不对称故障下永磁直驱风机的故障相电压支撑策略,首先建立电网不对称故障下风机送端系统数学模型及正负序解耦控制锁相环,然后推导风机机端电压与有功无功之间的耦合关系。提出以机端故障相电压最高为优化目标,约束条件为三相电流最大值不超过换流器限流上限,在这种情况下风机发出无功的同时输出一定的有功功率更有利于非故障相电压的支撑。根据华北某实际风电送端系统在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,验证单相接地故障时该控制策略的可行性和有效性。

直驱永磁同步风机低电压穿越控制方法研究

本文给出了用于直驱永磁同步风力发电系统暂态分析的传动轴系的双质块模型和全功率变流器数学模型,分析了低电压故障下直驱永磁风力发电系统的暂态特性。提出了相应的变流器改进技术措施,利用PowerFactory/DIgSILENT仿真软件对所设计的LVRT改进控制方法进行仿真建模,并验证了其有效性。

构网型直驱风机的小信号建模及动态频率支撑策略

针对传统构网型直驱风机在大扰动下的频率和功率振荡较大的问题,提出一种动态频率支撑策略。首先对构网型直驱风机进行了详细的小信号建模。其次,通过主导特征根轨迹分析有功频率控制以及交流电压控制环节中参数对频率变化特性的影响,进而提出一种灵活改变控制参数的动态频率支撑策略。最后,在Matlab/Simulink仿真平台上搭建仿真模型,验证了小信号建模的正确性和所提策略的有效性,表明所提策略能有效减小动态过程中的频率和功率振荡。