An Improved Stator Flux Observation Method of Permanent Magnet Synchronous Motor

The stator flux and electromagnetic torque observation is the basis of direct torque controlled permanent magnet synchronous motor( PMSM) drive system. However,the traditional stator flux observer based on voltage model is affected by integral initial values and integral drift,that based on current model is affected by the parameters of PMSM,so a new stator flux observation method is proposed based on an improved secondorder generalized integrator( SOGI). Compared to the stator flux observation method based on the conventional SOGI,the proposed method can not only overcome the influence of integral initial values and integral drift,but also completely eliminate the DC offset's influence. Therefore,the observation accuracy of stator flux is further improved. The simulation and experimental results both show that the proposed method has a higher stator flux and electromagnetic torque observation precision.

Dynamic characteristics of large permanent magnet direct‐drive generators considering electromagnetic–structural coupling effects

Dynamic characteristics of large permanent magnet direct‐drive generators(PMDGs)considering electromagnetic–structural coupling effects are analyzed in this study.Using the conformal mapping method,the scalar magnetic potential of the air gap magnetic field considering the slot effect is calculated.On the basis of the discrete current element and magnetic equivalent circuit model,the local magnetic saturation effect of the stator and rotor is quantitatively simulated and the air gap magnetic field intensity distribution is obtained via numerical simulation.A series of uniformly distributed equivalent electromagnetic springs are introduced to develop an electromagnetic–structural coupling finite element PMDG model.The proposed air gap field analysis method is verified by the finite element analysis results.On the basis of the test platform for the Goldwind 1.5MW PMDG,both modal and dynamic response tests for the stator/rotor coupling system are conducted,and the results are compared with the natural frequencies,mode shapes,and vibration responses obtained using the numerical model.The effects of the air gap length and rotor speed on the natural frequencies of the coupling system are analyzed.The proposed model has the potential to accurately evaluate the PMDG vibration energy,avoiding resonance points,and maintaining stable operations of the unit.

考虑频率耦合特性的D-PMSG复数域阻抗建模及其特征分析

阻抗分析法因其简单有效被广泛用于含电力电子变换器的互联系统稳定性研究。然而,采用传统方法对频域序阻抗建模时,需通过非线性变换(Park变换及其反变换)进行坐标系转换,这会导致不同周期分量的卷积运算及相应的频移,其过程较为烦琐。针对上述问题,基于复向量时域微分算子,提出了永磁直驱同步发电机(D-PMSG)等效阻抗建模方法。该方法在时域周期系统稳定运行轨迹的邻域内直接进行小信号线性化,并采用指数旋转因子灵活反映系统受扰后的时变特性,结合时域微分算子等效表征互联系统控制环节的动态特性,避免了频域阻抗建模时坐标系的反复变换,大幅降低了解析建模的复杂度。此外,所提方法能够更加清晰地阐释互联系统受到扰动时D-PMSG并网逆变器产生频率耦合现象的物理意义;同时,能够说明基频电压初始相位对耦合分量相频特性的影响。最后,利用仿真验证了所提算法的有效性。

Wide Speed Range Permanent Magnet Synchronous Generator Design for a DC Power System

A wide speed range permanent magnet synchronous generator(PMSG)system is studied in this paper,including the PMSG design and comparative study on control strategies with a pulse width modulation(PWM)rectifier,the purpose of which is to regulate the DC-link voltage.It is of great importance to study the foregoing DC power system based on the PMSG and PWM rectifier,where vector control(VC)can be implemented and the corresponding field-weakening strategy can be realized by injecting a field-weakening current component without any auxiliary devices.Large machine inductance is desired in order to limit the short-circuit current and the loaded voltage drop.Different control strategies including VC,direct torque control(DTC)and direct voltage control(DVC)are studied and compared with both simulations and experiments.

Multi-objective design optimization of a large-scale directdrive permanent magnet generator for wind energy conversion systems

This paper presents a simukaneous multi- objective optimization of a direct-drive permanent magnet synchronous generator and a three-blade horizontal-axis wind turbine for a large scale wind energy conversion system. Analytical models of the generator and the turbine are used along with the cost model for optimization. Three important characteristics of the system i.e.,the total cost of the generator and blades, the annual energy output and the total mass of generator and blades are chosen as objective functions for a multi-objective optimization. Genetic algorithm （GA） is then employed to optimize the value of eight design parameters including seven generator parameters and a turbine parameter resulting in a set of Pareto optimal solutions. Four optimal solutions are then selected by applying some practical restrictions on the Pareto front. One of these optimal designs is chosen for finite element verification. A circuit-fed coupled time stepping finite element method is then performed to evaluate the no-load and the full load performance analysis of the system including the generator, a rectifier and a resistive load. The results obtained by the finite element analysis （FEA） verify the accuracy of the analytical model and the proposed method.

基于Boost变换器的D-PMSG风力发电系统MPPT控制

为了提高直驱永磁风力发电系统的最大功率点跟踪控制性能,通过对Boost占空比变化与风力机输出特性的关系分析,提出一种基于模糊梯度步长爬山搜索法,将风力机输出转速变化量和风力机输出功率变化量作为模糊控制器的输入量,Boost变换器的占空比作为模糊控制器的输出量,实现风力机最大功率点跟踪控制。建立了系统仿真模型并进行仿真验证,结果表明,模糊梯度步长爬山搜索法能实现直驱永磁风力发电系统的最大功率点跟踪控制,控制效果优于传统变步长爬山搜索算法。

基于VMD的风机次同步振荡模态辨识方法研究

针对变分模态分解算法在对风电并网过程中产生的次同步振荡信号进行分解时受噪声干扰、关键参数难以确定,导致的辨识精度不足问题,本文提出一种基于小波阈值去噪(WTD)和遗传算法(GA)优化变分模态分解(VMD)的信号分解算法,结合自回归滑动模型(ARMA)的次同步振荡模态辨识方法。首先,采用小波阈值对风电机组输出的有功功率进行去噪处理;其次,使用VMD对去噪后的信号进行分解,得到K个本征模态分量,为得到最优VMD分解效果,采用自适应遗传算法对惩罚因子α及模态分解层数K进行优化;最后,将信号重构并建立ARMA模型,直接辨识出次同步振荡信号的频率和阻尼比。通过仿真实验平台搭建直驱风电机组并网模型,采集次同步振荡信号进行模态辨识。仿真结果表明,与其他辨识算法相对比,所提出的基于VMD的方法具有更好的可行性和优越性。

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。

直流受端馈入站与近区风电场系统振荡特性分析

随着高压直流输电工程的不断投产,以及风电项目的增多,越来越多的风电场出现在电网换相换流器高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)受端换流站近区,两者构成的系统存在振荡风险。为此,该文针对直流受端馈入站与近区风电场系统的振荡特性展开研究。首先,建立并验证系统的状态空间模型,基于该模型计算出系统特征值,确定LCC-HVDC与风电场共同参与的振荡主导模式并进行参与因子分析。进一步地,通过对比是否接入LCC-HVDC的主导模式,得到LCC-HVDC的接入会削弱系统阻尼的结论。最后,从系统额定容量、交流系统短路比、风电场并网线路长度等方面探究系统稳定性的影响因素,并分析系统的不同短路比、潮流比对风机网侧换流器(grid-side converter,GSC)外环控制和换流站定电流控制器性能的影响。

基于储能和无功优化的直驱机组海上风电场低电压穿越策略

针对直驱永磁机组海上风电场中的低电压穿越问题,提出了一种基于储能和无功优化的控制方案。采用锂电池作为分散式储能设备,吸收故障时刻直流母线上的多余功率,抑制电网故障时机组直流侧电压上升。同时根据各台机组的不同运行状况分配不同的无功指令,选取网侧变流器输出的有功功率、直流母线电压、机端电压作为评价指标,依据评价指标结果对风电场中各台风电机组低电压穿越能力进行评估,优化控制各台机组的无功出力,从而有效提高整个风电场的无功输出能力。以某海上风电场为例进行仿真分析,仿真结果表明了该方案能显著提高风电场低电压穿越能力。

永磁直驱风力发电机非奇异终端滑模控制

为提高永磁直驱风力发电系统的抗扰能力和控制精度,提出了一种扰动观测器与非奇异快速终端滑模控制相结合的最大功率跟踪控制策略。利用扰动观测器得到风力发电机的转矩变化,对控制器进行前馈补偿;采用非奇异快速终端滑模面提高控制器的动态性能,实现系统快速收敛,减少因扰动引起的抖振。仿真结果表明,所提策略在随机风速的情况下可以准确估计转矩变化,提高最大功率跟踪过程中的转速跟踪精度和风能利用率。

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。

集中绕组模块组合式定子结构对低速大功率永磁电机性能影响

针对集中绕组模块组合式定子结构对低速大功率直驱永磁同步电机性能的影响进行研究。首先介绍了模块化定子的分块规则和分块数。基于绕组函数法推导了单个定子单元模块在不同拆分方式下的绕组函数和电感表达式。基于有限元仿真先分析了仅绕组分块对电机性能影响;然后分析了冲片和绕组都分块对电机性能影响。通过对比空载和负载性能,总结出各种定子模块化拆分方案的优缺点,为大功率低速直驱永磁同步电机的模块化设计与制造建立了基础。

含UDE附加阻尼支路的构网型直驱永磁同步风电机组次同步振荡抑制策略

针对构网型直驱永磁同步风电机组在弱电网下的次同步振荡问题,该文提出了基于不确定性和扰动估计器(UDE)的附加阻尼支路振荡抑制策略。首先,网侧变流器采用虚拟同步机(VSG)技术,并基于谐波线性化理论建立了网侧变流器序阻抗模型;其次,深入分析引入电压电流双闭环控制对弱电网下构网型直驱永磁同步风电机组产生次同步振荡的影响特性,提出了电流环引入UDE附加阻尼支路的振荡抑制策略,并基于UDE的附加阻尼控制采用滤波带宽思想对系统扰动进行估计,通过动态电压补偿方式实现阻尼支撑,可有效抑制次同步振荡,提升系统鲁棒性;最后,通过时域仿真验证了所提振荡抑制方法的有效性。

D-PMSG经LCC-HVDC送出系统的次同步振荡特性分析

当直驱风机(direct-drive permanent magnet synchronous generator,D-PMSG)位于电网换相换流器高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)整流站近区时,系统的次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO)特性尚不清晰,相关研究有待开展。针对上述问题,基于D-PMSG经LCC-HVDC送出系统,利用模块化分块建模法建立小信号模型,用特征值与参与因子研究了系统SSO模式中D-PMSG与LCC-HVDC的参与情况,并用特征值分析了系统参数对SSO阻尼的影响。研究结果表明:存在D-PMSG与LCC-HVDC共同参与的SSO模式,且LCC-HVDC接入为系统SSO提供负阻尼;当D-PMSG输电线路阻抗、GSC控制器外环积分系数增大时,SSO模式阻尼减小;当GSC控制器外环比例系数、D-PMSG直流侧电容、D-PMSG的风速、LCC-HVDC定电流控制器的比例系数增大时,SSO模式阻尼增大。基于PSCAD/EMTDC时域仿真结果,验证理论分析的正确性。

基于模糊滑模控制的直驱式波浪发电装置最大功率控制方法

海洋波浪能是一种新型清洁能源,为提高直驱式波浪发电系统的发电功率和波浪能转换效率,针对目前普遍使用的比例-积分-微分(PID)控制方法存在输出纹波较大、系统稳定性较差的问题,提出基于模糊滑模控制的最大功率控制方法,根据运行状态实时调整趋近律参数,在实现最大功率跟踪的同时削弱输出纹波,减小跟踪误差,提高系统控制品质。文中以永磁直线发电机(PMLG)作为发电装置,建立系统动力学模型,并通过快速傅里叶变换方法预估不规则波浪主频,设计满足最大功率策略的期望电流跟踪曲线;在此基础上,将常规PID、滑模控制方法与所提出的模糊滑模最大功率控制方法进行仿真对比,结果表明:模糊滑模控制方法在功率上有所提升且具有更好的准确性和稳定性。

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。

复杂工况条件下刮板输送机永磁半直驱系统机电耦合特性研究

提出一种由永磁同步电机和行星减速器组成的刮板输送机永磁半直驱系统。基于Adams和Matlab/Simulink搭建刮板输送机机械系统多体动力学模型和永磁半直驱控制系统模型,完成机电耦合系统的联合仿真。对刮板输送机空载、轻载和重载等多种工况进行仿真分析,得到各工况下永磁电机的输出特性和刮板输送机的动力学特性。研究结果表明:永磁半直驱系统能够实现低速大扭矩的快速输出,转速输出波动小,转矩输出具有良好的跟随性;永磁半直驱系统具有良好的启动性能和传动平稳性。刮板输送机机头转速、链环速度、链条张力在链轮多边形效应影响下呈周期性波动,受多边形效应影响链环在啮合过程中发生滑移,使得接触力呈波动变化,负载转矩和链条张力的波动随负载增大而加剧,随链轮转速增大而增大。

面向海上风电仿真的永磁同步发电机电磁暂态等效建模方法

海上风电的建模与仿真是构建新能源为主体的新型电力系统的关键支撑技术。永磁同步发电机(PMSG)作为直驱或半直驱机型的核心元件,现有模型存在一定的局限性:商业软件提供的灰箱模型无法得知建模原理,开放程度不够,限制了风电机组应用高效电磁暂态建模算法与并行加速算法;目前常用的PMSG建模方法无法生成接口与外电路连接;PMSG是同步发电机的一种,而同步发电机有不同阶数的数学模型,现有模型不便更改。针对上述问题,该文提出阶数可选的PMSG电磁暂态等效建模方法。首先对发电机电压、磁链方程进行离散化;然后通过单步长延时消除代数环,重构PMSG模型,推导得到其诺顿等效电路并构建模型整体仿真框架;最后,在RTDS仿真平台中进行仿真分析。结果表明四阶、二阶模型在场站级仿真具有适用性,而六阶模型实现了对基准模型的多工况高度拟合,平均相对误差小于4%,能够同时满足场站级与机组内部各仿真需求。

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。