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。

考虑初始风速与机端故障稳态电压跌落程度的直驱风机故障响应特性分类及其判别方法研究

对电力系统进行安全分析时,往往需要对各种预想场景进行仿真。随着风电的大量接入,对风电场提出适用于预想故障分析的等值建模方法变得十分重要,而根据风机故障后的动态特性对其进行分群则是等值建模的基础。各风机在故障后的动态响应特性不仅受其控制方式的影响,还受到运行风速和故障严重程度的影响,而一般情况下风机控制的响应速度较快,可以认为在故障持续期间风机能够运行至故障稳态。基于此,提出考虑初始风速及机端故障稳态电压跌落程度的风电机组故障响应特性分类及判别方法,以此作为风机分群的依据。首先针对永磁直驱风机(direct-driven permanent magnet synchronous generator,PMSG)故障过程中无功优先控制、故障恢复期间有功斜坡恢复的控制策略,分析其在不同风速条件下故障后所有可能的响应特性,将初始风速与故障稳态电压作为分类指标,从机理上找到直驱风机进入各类响应特性的边界条件;然后,提出利用预想故障信息的风机机端故障稳态电压计算方法,在此基础上提出适用于预想故障的直驱风机分群方法;最后,通过对风电场进行详细建模仿真,验证所提分群方法的正确性。

虚拟同步直驱风机低频振荡机理分析及阻尼补偿控制

虚拟同步机技术可有效提升电网的电压支撑能力,但也引入了复杂的低频振荡问题。目前,对传统虚拟同步机的低频振荡研究大多忽略直流侧及机侧动态,难以准确刻画虚拟同步直驱风机的低频振荡特性。为解决上述问题,首先,建立了计及机侧动态和直流电压动态的统一阻尼转矩模型,利用阻尼转矩法揭示了机侧转子动态产生的负阻尼转矩是导致风机低频振荡的主要原因,并分析了各环节对风机低频振荡特性的影响规律。进一步,提出了阻尼补偿控制以削弱机侧动态的负阻尼效应,有效提升了机侧耦合下风机并网系统的稳定性。最后,简要分析了所提控制在多机系统的适用性,并基于MATLAB/Simulink仿真验证了理论分析的准确性和所提控制的有效性。

基于RTDS的直驱风机硬件在环实验方法

为实现风电机组硬件在环平台的通用性,文中在环实验平台搭建了通用风电机组硬件,完成了风电机组的优化控制。针对直驱风机在电网电压不平衡或不对称的情况下影响直驱风机正常运行的问题,文中采用基于正序和负序的电流解耦算法消除负序电流以保持恒定的输出功率。通过抑制故障时风电机组的无功功率两倍频波动,使有功和无功基准值均为0,电网无功功率两倍频波动分量的幅值为0,达到消除负序电流使风电机组稳定输出的目的,并在该实验平台进行仿真验证。实验结果表明,风电机组有功功率输出保持不变,显著提高了风电机组并网的适应性,验证了该方法的合理性和有效性。

基于最小二乘和自适应蛇优化算法的直驱风机LVRT特性辨识

为提高直驱风机低电压穿越LVRT(low voltage ride through)控制参数辨识精度,提出了一种基于最小二乘LS(least square)和自适应蛇优化ASO(adaptive snake optimization)算法的直驱风机LVRT特性辨识方法。首先,利用最小二乘法拟合出直驱风机LVRT待辨识参数初值,以确定待辨识参数的寻优范围;然后,分析了蛇优化SO(snake optimization)算法分阶段寻优的边界条件,设计了分阶段自适应学习因子,并引入Levy飞行策略,提出了适用于直驱风机LVRT控制参数辨识的ASO算法;最后,将ASO算法多次辨识平均值作为最终结果。结果表明,所提方法能快速、准确辨识直驱风机LVRT控制参数。

激光雷达技术下直驱风机偏航优化控制方法

在直驱风机偏航控制过程中,受到尾流紊流影响会出现控制偏差,直接影响直驱风机的安全性,为此该文提出激光雷达技术下直驱风机偏航优化控制方法。利用激光雷达技术对风向和风速进行测量,获取直驱风机偏航角。根据直驱风机尾流速度分布情况,构建激光测风雷达功率谱密度函数,获取目标区域附近湍流粒子真实散射信号。根据风机输出的机械功率,划分不同风速区间。计算偏航延迟时间,差异性优化偏航角和时间,设计优化控制流程。实验结果可知,该方法的控制稳定性较优,风向与实际值一致,具有精准控制效果。

直驱风机接入弱电网的小干扰稳定分析及提升策略

针对直驱风机接入弱电网的失稳情况进行了小干扰分析,并提出了提升措施。建立了系统的小信号模型,采用模态分析法及根轨迹法研究了弱电网下的失稳机理,提出了一种改进q轴外环控制和改进锁相环控制的稳定性提升策略。结果表明,锁相环控制回路与定无功功率外环控制影响着系统在弱电网的稳定性。案例分析表明,采用改进措施的系统在弱电网中的稳定性显著提高。

直驱风机并入交流电网引发的次同步振荡分析与抑制

通过对直驱风机并网模型及短路比原理分析,阐述次同步振荡的发生机理。提出在高压母线侧加装静止无功补偿器去抑制次同步振荡的发生,并对静止无功补偿器的控制策略进行分析。结果表明,该控制策略能有效抑制次同步振荡现象,保障电力系统的安全与稳定。

大容量直驱风机集群经柔直并网引起的次同步振荡概率评估

针对海上风电集群经多端柔直并网时的次同步振荡(SSO)频发问题,提出了一种基于Weibull分布模型和带漏项最小均方算法的SSO概率评估方法,分析了大容量直驱风机集群经柔直并网引起的SSO变化特性。仿真结果表明:风速增加使SSO频率由40 Hz下降至18 Hz附近,负阻尼比累计概率由14%增至90%;构成风电场的等值风机台数增加与多端柔直并网可以扩展SSO频率分布区间,并降低1%~8%的SSO负阻尼比累计概率。

基于ADPSS的直驱风机半实物仿真研究

高比例新能源设备给电网带来电源不确定性增高和转动惯量变弱等问题,通过含新能源设备精细化模型的大电网仿真可拟合设备运行控制特性,校验控制策略,提前预防电网潜在风险,有效提高电网安全性。新能源设备模型的建模精度影响大电网仿真精度,为解决新能源设备模型的精度问题,利用贴近实际设备的半实物仿真平台开展高低电压穿越等工况仿真。通过使用ADPSS(advanced digital power system simulator,ADPSS)技术,利用相关基础元件建立直流卸荷回路,结合相关两电平换流器控制策略,搭建详细的单电机双功率单元两电平直驱风机半实物仿真电磁模型,并通过直接频率控制方法优化模型,从而增强了半实物仿真的稳定性,结果比对显示,直接频率控制方法优化模型降低了仿真的波动性,可有效提升仿真的准确性。

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。

弱电网下直驱风机网侧换流器建模及稳定运行控制策略分析

直驱风机网侧换流器可能因与弱电网动态交互引发系统失稳问题.为探究系统的交互机理,保证系统的稳定运行,首先对直驱风机并网模型进行了合理简化,建立了弱电网下直驱风机网侧换流器与电网交互的单输入单输出传递函数模型,并应用经典频域判据进行稳定性分析,探究电气与控制环节对于系统稳定性的影响.其次在分析锁相环导致系统失稳的原因基础上,提出了一种新型3阶锁相环控制结构设计方案,并对锁相环参数进行了多目标优化设计.结果表明,3阶锁相环具有更好的谐波衰减效果,在短路比为2的极弱电网下仍可以保持稳定运行.最后基于MATLAB/Simulink仿真平台验证了所提设计方案的有效性.

直驱风机低电压穿越行为对并网点电压的影响及优化控制

随着风电渗透率的不断提高,其低电压穿越行为对电网安全稳定运行的影响越来越大。文中基于大量实测数据解析了直驱风机的低电压穿越响应特性,将低电压穿越全过程分为低电压穿越过程和恢复过程。在低电压穿越过程,探讨了风电渗透率及其功率特性对并网点电压恢复水平的影响,揭示了电压延迟恢复会导致系统损失更多的风电功率并加重频率跌落。在恢复过程,探讨了无功控制切换及无功恢复策略可能引起电压反复波动而使风机多次进出低电压穿越过程并发生脱网事故的根源。为抑制电压波动、实现快速稳定的电压恢复,提出了风机的低电压穿越优化控制策略。最后,基于PSCAD/EMTDC平台进行仿真,验证了风机低电压穿越行为对并网点电压的影响和所提出低电压穿越优化控制策略的有效性。

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。

计及直驱风机差异性的并网风电场次同步频段小干扰稳定性

大规模直驱风机(permanent magnet synchronous machines,PMSGs)的接入会加剧电力系统动态失稳风险,为降低电力系统状态空间模型阶数,提升模式计算效率,现有分析方法常忽略直驱风机间的差异性,实现风电场模型降阶。然而,实际直驱风机的运行工况存在一定差异,相似性假设容易导致分析结果产生误差,影响稳定性判定的可信度。分析了在次同步频段,直驱风机运行工况差异性对风电场小干扰稳定性的影响,证明了:直驱风机运行工况的变化会改变振荡模式在复平面上的位置,但这些振荡模式的边界仅由风机出力最小和最大运行工况决定。基于此,提出了考虑直驱风机差异性的风电场小干扰稳定性分析方法,预测了直驱风机在不同运行工况下振荡模式在复平面上的区间,实现了对差异化直驱风机并网稳定性的快速判定,有助于实际风电场并网失稳风险的及时预警。最后,基于差异性直驱风机的仿真算例,验证了所提方法和分析结论的有效性。

基于平滑切换的不平衡工况下直驱风机故障穿越控制策略

目前已有的风电机组故障穿越控制策略和相关标准主要针对三相平衡故障或仅考虑不平衡工况下的单一控制目标,文中重点研究了直驱风机并网系统在三相不平衡故障下的多目标协同故障穿越控制策略。首先,在不平衡工况下网侧逆变器瞬时功率模型的基础上,分析了传统控制策略下直驱风机输出电流三相不平衡、有功功率与无功功率二倍频振荡及其导致的直流母线电压波动机理。为了实现不平衡故障下的多目标协同控制,提出了基于最小二乘法的最优电流设定值求解方法。此外,考虑到故障过程中网侧变流器直流电压环对电流控制的钳制作用,提出了一种基于状态跟随的平滑切换控制策略以减小切换过程的暂态冲击,即故障穿越期间直流电压控制从网侧变流器平滑切换至机侧变流器。与传统故障穿越控制策略相比,所提故障穿越控制策略可以同时实现对不平衡电流、有功及无功功率波动的有效抑制,避免了单独控制有功或无功功率振荡时易出现的电流指令值饱和现象,提高了直驱风机故障穿越控制性能。最后,利用PSCDAD/EMTDC仿真验证了所提控制策略的有效性和优越性。

多直驱风机经柔直并网系统相近次同步振荡模式参与因子的弱鲁棒性分析

多台直驱风电机组运行工况相似的情况下,直驱风电场经柔直并网系统中存在相近的次同步振荡(SSO)模式,这些SSO模式的参与因子对参数变化极为敏感,从而影响阻尼控制器的最优安装位置。针对这一特殊现象,首先基于矩阵摄动理论,揭示相近SSO模式的参与因子对参数变化敏感的原因;然后,呈现了这一特殊现象对阻尼控制器的不利影响,并提出了参与因子灵敏度的概念,分析了关键因素对多直驱风机经柔直并网系统相近SSO模式的参与因子灵敏度;最后,提出了存在相近SSO模式情况下消除/减小参与因子弱鲁棒性危害的多种方案。通过在PSCAD/EMTDC中搭建多直驱风机经柔直并网系统的时域仿真模型,验证了理论分析结果的正确性。

直流微网中直驱风机的类虚拟同步发电机惯性控制策略

含分布式能源的直流微网惯性低、母线电压易受负荷功率波动影响,而风电机组的转子中蕴含着大量动能,可改变风机侧变流器的控制策略,使发电机转子释放或储存动能,为直流电压提供惯性支撑。首先,通过类比交流电网中的虚拟同步发电机控制,提出了一种适用于直流微网中风电机组的类虚拟同步发电机惯性控制策略。其次,引入与转子旋转动能、变流器可调容量相关的惯性支撑系数,定量评估了不同运行工况下风电机组的惯性支撑能力,以此选择合适的虚拟惯性系数。然后,建立了小信号模型,对所提控制策略进行理论分析,针对初始阶段产生的电压突变,采用前馈补偿进行了修正。研究结果表明,类虚拟同步发电机控制能利用风机的转子动能为系统提供惯性支撑,使直流电压具有更好的动态特性。最后,通过RT-LAB实时仿真平台仿真验证了所提控制策略的有效性。

基于直流电压同步的构网型直驱风机两阶段主动阻尼支撑控制策略

传统的风力机组主要依赖有功功率调制实现阻尼提升,这可能会影响风能捕获。针对此,面向利用直流电压同步的构网型直驱风机,设计了一种两阶段主动阻尼支撑控制策略。在第1阶段,基于直流电压同步控制,提出了2种基于无功功率调制的阻尼控制器,评估了控制器参数和运行工况对阻尼效果的影响。所提控制器利用直流电容储能和换流器无功资源为系统提供阻尼支撑,而风机运行在最大功率追踪模式。在第2阶段,当直流电压波动超过设计的阈值后,风电机组功率控制器随即启动,通过调用风机侧资源进一步提升系统阻尼。进一步设计了风机转速恢复策略以消除有功有差调节带来的下垂影响。所提控制策略无需锁相环和有功功率调制即可实现风机和弱电网之间的同步。同时,考虑能量代价,权衡了风能捕获的经济性要求和提供阻尼的稳定性要求。

某型半直驱风机齿轮箱断齿故障分析

针对风机齿轮箱故障,介绍了一起半直驱风机齿轮箱断齿导致风机停运故障。通过对故障齿轮箱进行振动数据监测、金属材质及油质分析,得出齿轮箱油的泡沫特性超标和颗粒污染度超标是故障的诱因,故障发生当天风机瞬时风速波动较大,齿轮箱二级行星轮组产生较强瞬时应力而导致齿轮损坏,引发风机齿轮箱振动过大是故障的主要原因。为避免同类故障再次发生,风电场应加强风机运行监测、提高齿轮箱内窥镜检查频率并加强风机齿轮箱在线滤油处理。