双并列转子永磁直驱电机转子不平衡力分析与优化

双并列转子永磁直驱电机受轴间距限制,设计时会切掉部分定子铁心和绕组,造成转子电磁力不平衡。为最大限度地抑制转子所受的不平衡电磁力,该文从双并列转子结构出发,分析了电机绕组电感参数不对称的原因,提出通过合理设计线圈跨距和分布平衡三相电感。在此基础上,构建转子所受总电磁力的数学模型,理论分析各个分力的来源及影响因素,研究各个分力对转子所受总电磁力的影响,提出了优化占空角、优化耦合间距、采用定子端部不对称结构、采用转子偏心结构和切除部分单元电机五种优化方法,实现对转子所受电磁力的优化,探讨了不同方法的优化效果,以及其对转矩脉动的影响,总结了不同优化方法的优缺点。

基于ADRC和分数阶PID的永磁直驱风力发电系统控制

为了使直驱永磁风电机组在复杂风况中保持稳定运行,提出一种自抗扰控制(ADRC)和分数阶微积分PID组合的控制策略。针对转速环控制ADRC中分断点处存在不可导和不平滑问题,基于fal函数设计一种连续且平滑的tal函数,有效改善了系统原点抖振问题,并对ADRC控制器重新设计。在电流环控制中引用了分数阶微积分PID控制器替代整数阶微积分PID控制器,保证风力发电机组的可靠运行。仿真结果表明:所提控制策略与传统ADRC、改进型ADRC控制策略比较,无论是静态稳定性还是动态响应速度都优于传统ADRC和改进型ADRC。

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。

直驱风电场并网系统宽频振荡小干扰稳定判据及稳定性分析

并网电力系统中多直驱风电机组(direct-driven permanent magnet synchronous generator,PMSG)风电场可能出现次同步/超同步振荡现象,为深入的研究直驱风电场并网系统的宽频振荡,文章对多PMSG风电场并网系统进行了一系列研究。首先,针对次同步振荡频率场景和超同步振荡频率场景分别建立了单台PMSG的简化数学模型。然后,结合风电场的等效降阶法求解了多PMSG风电场并网系统的特征方程,运用劳斯赫尔维兹判据得出各频率场景下并网系统中风电场的稳定性判据,从解析的角度分析了并网系统中各运行参数对系统稳定性的影响。最后,通过一个可扩展的多PMSG风电场并网系统验证了文中提出的风电场等效降阶模型下的稳定判据是可行有效的,并直观的讨论了并网系统中PMSG风电机组数量以及长线路等效电抗变化对并网系统稳定性的影响。

直驱永磁同步风电机组的动态建模与运行控制

为分析直驱式永磁同步风力发电机组的联网运行特性,建立了直驱式永磁同步风力发电机组联网运行的数学模型;构建以永磁同步发电机输出功率为反馈量、转速为控制对象的最大风能捕获发电控制模型,建立了单位功率因数、id=0为目标的两种无功功率控制模型;在PSCAD/EMTDC仿真平台上建立相应的仿真模型,对直驱式永磁同步风电机组联网运行进行仿真分析,对所建立的数学模型和控制方法的有效性进行了验证,对比分析了发电机侧变流器采用两种无功功率控制策略时的运行性能。

基于PSCAD/EMTDC的直驱永磁同步风力发电机多机并联运行仿真

提出了一种与直流系统直接耦合的多机并联永磁风力发输电系统,该系统充分利用永磁直驱风电机组与轻型直流输电各自优点,适用于远距离风电直流联网。建立了dq同步旋转坐标下的永磁直驱风力发输电系统的数学模型,基于转子磁场矢量定向技术,构建了多机并联发输电系统的有功、无功解耦控制策略;基于电网电压矢量定向技术,构建了输电系统有功、无功功率的解耦控制策略。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了两台永磁直驱风电机组并联发输电仿真系统,对系统的动态特性及其无功调节能力进行了仿真分析。仿真结果表明,两机并联的发输电系统能够在不同的风况下稳定运行,且对电网具有一定的无功调控能力。

基于线电压误差的永磁直驱风电系统变流器开路故障诊断

永磁直驱风电系统变流器的开路故障严重影响系统的运行特征。为了提高系统可靠性,要求能够及时检测到故障的发生,并能准确定位故障功率管。为此,提出了基于线电压误差的永磁直驱风电系统变流器开路故障诊断方法。该方法利用正常状态和故障情况下线电压的偏差进行故障诊断和定位,并且采用电压幅值和时间宽度的双重标准提高故障诊断的可靠性。首先,将线电压误差值与设定的阈值相比较;然后通过设置诊断变量的最小持续时间,来消除测量误差和外界环境的影响等引起的误判;最后,利用故障定位标志位判定故障功率管。仿真和实验结果验证了故障诊断方法的有效性和可靠性。

直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制

为提高直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪的效果,根据风力机的输出特性,阐明最佳特性曲线法实现风力发电系统最大功率追踪的原理,分析转速控制和功率控制方案的不足,提出基于最佳电磁转矩给定的最大功率追踪方案和一种适合于永磁同步发电机(pemanent magnet synchronous generator,PMSG)的转子初始位置检测方法。分别构建了以TMS320F2812DSP为控制核心的10kW风力机模拟系统和直驱式永磁同步风力发电系统,进行初始位置的检测、风速稳定和突变时系统的运行实验,实验结果验证了所提出的转子初始位置检测方法和最大功率追踪方案的有效性。

直驱式永磁同步风力发电机双模功率控制策略的仿真研究

在分析变桨距执行机构动作滞后及变桨速度限制带来的功率波动问题基础上,针对直驱式永磁同步风力发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)系统,提出全风况下结合变桨距控制的双模功率控制策略。低于额定风速时,采用基于转速反馈的最大风能跟踪控制;高于额定风速时,根据发电机额定功率和即时转速设定参考电磁转矩,将发电机输出有功功率限定在额定值附近;并给出了双模控制系统中2种控制模式之间平滑切换(smooths witching)的具体规则。对双模功率控制策略下的一台2MW直驱式PMSG系统进行仿真研究,验证了该控制策略的正确性和有效性。相对于采用传统控制策略的直驱式PMSG系统,该控制策略能够在额定风速以上获得更为平稳的有功功率输出。

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。

电网故障时永磁直驱风电机组的低电压穿越控制策略

为提高永磁直驱风电机组所并电网的运行稳定性,研究电网故障下永磁直驱风电机组的运行特性以及提高其低电压穿越运行能力,文中提出一种适用于采用双脉宽调制变换器并网的永磁直驱风电机组的低电压穿越运行控制方案。通过在电网故障时限制发电机的电磁功率来限制输入至直流侧电容和电网侧变换器的功率,通过在电网故障时采用考虑发电机功率信息的网侧变换器电流闭环控制来实现直流链电压稳定控制,从而有效实现发电系统的低电压穿越运行。系统仿真结果表明,所提出的控制方案无需增加硬件保护装置,在电网对称及非对称故障下均可有效实现永磁直驱风电机组的低电压穿越运行。

兆瓦级永磁直驱风力发电机组变流技术

当前主流的风力发电系统采用"双馈电机+双PWM变流器"的变流技术,但存在效率低、控制复杂的问题。采用六相低速永磁同步发电机代替双馈发电机,变流器采用"不控整流+升压斩波+SPWM逆变"变流技术。六相不可控的二极管整流器对低速永磁发电机发出的交流电进行12脉波整流,这种不可控的整流方式增加了系统可靠性,简化了控制系统;采用升压斩波电路进行升压,以降低系统对电机输出电压的限制,拓宽风机的工作范围,同时将2个升压斩波电路并联,以降低单个电抗器和IGBT器件通过的电流;逆变器采用2个三相桥式PWM逆变器并联方式,在最佳风能捕获(MPPT)算法和逆变器数学模型的基础上,采用直接电流控制对逆变器进行输出控制。用PSIM软件进行了建模和仿真,仿真结果证实设计的正确性。

基于变桨距和转矩动态控制的直驱永磁同步风力发电机功率平滑控制

风能的不确定性以及风轮机自身特性使风力发电机输出有功功率随风速变化而波动,影响风电机组输出电能质量,严重时还会影响电网运行稳定性。在分析变桨变速直驱永磁同步风力发电机运行特性的基础上,提出了在全风速范围内结合风力机变桨控制和发电机变速控制的发电机有功功率平滑控制策略。考虑到风能的随机性及直驱风能发电系统很强的非线性,设计了基于模糊理论的变桨距控制器和发电机转矩动态滑模控制器。对一台采用该控制策略的直驱永磁同步风力发电机的运行行为进行仿真研究。结果表明,提出的模糊变桨距控制能有效控制发电机转速运行范围,动态滑模控制能使发电机输出平滑的有功功率。与传统最大风能跟踪控制策略相比,所提出的控制方案能有效降低直驱永磁同步风力发电机输出有功功率的波动,控制发电机转速运行范围。

电网电压不平衡时永磁直驱风电机组的控制策略

详细分析了电网电压不平衡条件下永磁直驱风电机组的运行情况,根据电网电压不平衡条件下风力发电机组不同的运行要求,提出基于三种可选控制目标的网侧变换器控制方案,同时采用正序电网电压定向方式简化得到网侧变换器的正、负序电流参考量。所提方案可实现在不平衡电压条件下抑制并网有功功率/直流链电压二倍频波动,抑制并网无功功率二倍频波动或抑制网侧负序电流的控制目标,进一步提高了电网电压不平衡下永磁直驱风电系统运行的稳定性和可靠性。通过对电网电压不平衡下永磁直驱风电系统运行行为进行仿真计算和对比分析,验证了所提控制策略的正确性和有效性。

永磁直驱风力发电系统最大功率追踪策略研究

功率最大追踪一直作为直驱式永磁同步风力发电系统的核心控制技术。基于风力机功率输出特性曲线,分析了风力机的工作过程及在不同风速下对应的控制策略。在额定风速以下时设计了利用转速外环和电流内环相结合的双闭环控制,并结合空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的风力机变速控制方案;在额定风速时设计了利用模糊-PID复合控制器控制的变桨距控制方案。基于Matlab软件对设计的系统进行理论仿真验证,仿真结果证明所设计功率最大追踪控制策略具有良好的稳态和动态性能。

应用超级电容提高风电系统低电压穿越能力

针对使用背靠背全功率变流器的永磁直驱风电系统,提出应用由超级电容和双向DC/DC变换器组成的储能系统提高风电机组的低电压穿越能力。研究永磁直驱风电系统的结构和控制策略,以及基于超级电容的储能系统平衡系统功率的特点,建立永磁直驱风电系统和基于超级电容的储能系统的模型,并给出控制策略和主要仿真参数。仿真结果显示,储能系统在电网电压发生跌落时,迅速平衡了直流母线两侧的功率变化,使直流母线电压保持稳定,并将风电机组与电网故障相隔离,保证风电机组继续向电网传输能量,从而提高风电系统的低电压穿越能力。

无速度传感器控制永磁直驱风电变流器的研制

常规数字式编码器在风力发电中的应用存在容易受干扰等问题。在分析直驱型变速恒频风电系统背靠背变流器工作原理的基础上,采用锁相环无速度传感器控制策略对永磁同步发电机的速度和相位进行观测,对其工作原理和实现方法进行了分析。建立了永磁直驱风电系统仿真模型和实验样机,并对所提控制策略进行了仿真和实验验证。仿真与实验结果表明,锁相环无速度传感器控制能够准确获取电机转速与角度信息,响应速度快、电流控制效果好,具有较好的稳态与动态性能,经过进一步优化,特别是提高低速段性能后,可以在直驱风电系统中替代常规编码器实现对永磁同步发电机的控制。

永磁直驱风电机组的双PWM变换器协调控制策略

永磁直驱风力发电系统中可采用全功率双脉宽调制(PWM)变换器作为永磁同步发电机(PMSG)的并网电路,当风速变化时,双PWM变换器的直流链电压会随着PMSG输出功率的改变而出现大幅度波动,这将不利于变换器功率器件的安全运行及整个发电系统的稳定运行。结合永磁直驱同步风力发电系统的运行特点,提出一种适用于永磁直驱风电机组的双PWM变换器协调控制策略。系统仿真和实验结果验证了所提出的控制策略的正确性,该方案可显著提高风速变化时双PWM变换器的直流链电压的稳定性,有助于提高发电系统的安全稳定运行能力。

采用飞轮储能的永磁直驱风电机组有功平滑控制策略

风速的不稳定性和间歇性使得采用最大风能捕获控制策略的风电机组输出有功功率会随风速的变化而波动,影响风电机组的输出电能质量,引起电网频率波动,甚至带来电网的稳定性问题。简单分析了永磁直驱风电机组的全功率双脉宽调制(PWM)交—直—交变流器的控制策略,提出了在不改变现有变流器控制策略的前提下,在变流器的直流侧接入飞轮储能系统,用以实现风电机组输出有功功率的平滑控制。设计了飞轮储能系统的能量控制策略,并给出了平滑功率值的计算方法。对1.3 MW永磁直驱风电机组的运行特性进行了仿真研究,仿真结果表明,采用所提出的飞轮储能系统能量控制策略能够有效平滑风电机组输出有功功率,提高了风电机组的输出电能质量。

直驱永磁同步风力发电机无位置传感器控制

为了在无位置传感器的情况下,实现对直驱式永磁同步风力发电机的矢量控制,研究用简化卡尔曼滤波器进行电机转子位置和转速估计的方法。选取转子位置和转速作为状态变量,两相定子电流作为输入,建立了基于简化卡尔曼滤波器的永磁同步发电机状态估计离散模型,采用转子磁场定向的控制策略,实现了无位置传感器矢量控制。仿真结果表明:这种方法能够准确估计出电机的转子位置和转速信息,动静态性能良好,并基于此实现了最大功率追踪控制。