Maximum Power Point Tracking in Variable Speed Wind Turbine Based on Permanent Magnet Synchronous Generator Using Maximum Torque Sliding Mode Control Strategy

The present study was carried out in order to track the maximum power point in a variable speed turbine by minimizing electromechanical torque changes using a sliding mode control strategy. In this strategy, first, the rotor speed is set at an optimal point for different wind speeds. As a result of which, the tip speed ratio reaches an optimal point, mechanical power coefficient is maximized, and wind turbine produces its maximum power and mechanical torque. Then, the maximum mechanical torque is tracked using electromechanical torque. In this technique, tracking error integral of maximum mechanical torque, the error, and the derivative of error are used as state variables. During changes in wind speed, sliding mode control is designed to absorb the maximum energy from the wind and minimize the response time of maximum power point tracking(MPPT). In this method, the actual control input signal is formed from a second order integral operation of the original sliding mode control input signal. The result of the second order integral in this model includes control signal integrity, full chattering attenuation, and prevention from large fluctuations in the power generator output. The simulation results, calculated by using MATLAB/m-file software, have shown the effectiveness of the proposed control strategy for wind energy systems based on the permanent magnet synchronous generator(PMSG).

Modularity Techniques in High Performance Permanent Magnet Machines and Applications

This paper reviews the modularity techniques in the stator manufacture of permanent magnet machines for different applications.Some basic concepts of modular machines are firstly introduced.Modular machines for several typical applications are then described in details,including domestic appliances,automobiles and electric vehicles,more electric aircrafts and civic applications,wind power generators,etc.Besides,the influence of manufacture tolerance gaps and flux barriers on the electromagnetic performance is discussed.

Performance of a Wind-Diesel Hybrid Power System with STATCOM as a Reactive Power Compensator

The paper deals with automatic reactive power control of an isolated wind-diesel hybrid power system. The power is generated by diesel engine and wind turbine as prime movers with electrical power conversion by permanent-magnet synchronous generator (PMSG) and permanent-magnet induction generator (PMIG) respectively. The mathematical model of the system developed is based on reactive power flow equations. The paper investigates the dynamic performance of the hybrid system for 1% step increase in reactive power load with 1% step increase in input wind power.

A Novel Modified Fuzzy-predictive Control of Permanent Magnet Synchronous Generator Based Wind Energy Conversion System

A wind energy conversion system(WECS)based on a permanent magnet synchronous generator(PMSG)is an effective solution for renewable energy generation in modern power systems.The main advantages of PMSG include high performance at high and low speeds,minimal control effort owing to lower rotor inertia,self-excitation,high reliability,and simplicity of structure compared with induction generators.However,the intermittent nature of wind energy implies that maximum efficiency is not obtained from this system.Accordingly,maximum power point tracking(MPPT)in wind turbine systems has been proposed to address this problem.Traditional MPPT strategies suffer from severe output power fluctuations,low efficiency,and significant ripples in turbine rotation speed.This paper presents a novel MPPT control strategy based on fuzzy logic control(FLC)and model predictive control(MPC)to extract the maximum power from a PMSG-WECS and control the machine-side and grid-side converters.The simulation results obtained from Matlab/Simulink confirm the superiority of the control model in eliminating the output power fluctuations of the wind generators and accurately tracking the maximum power point.A comparative study between conventional MPPT and control methods is also conducted.

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。

基于VIENNA永磁风电系统的自适应反推控制研究

针对永磁同步电机存在非线性项的不确定性以及系统参数摄动产生的不利影响,提出一种基于VIENNA永磁风电系统的自适应反推控制策略。采用VIENNA整流拓扑实现整机功率密度的最大化,降低谐波干扰,提升系统的可靠性。通过自适应反推控制得到系统控制律和参数自适应律,解决了系统的非线性,实现了对定子电阻和负载转矩的参数自适应,从而提高了系统的抗干扰能力。仿真结果表明,该控制系统具有较强的鲁棒性。

永磁同步风力发电系统的最大功率跟踪模糊分数阶控制

在“双碳”背景下,风电作为零碳电力和新能源发电的主力军,在助力社会全面绿色低碳转型方面发挥了关键性作用。在保证发电稳定的前提下实现风能的最大化利用,提升风力发电系统发电量至为重要。文中针对永磁同一步风力发电系统的最大功率跟踪(maximum power point tracking, MPPT)问题进行研究。首先建立了永磁同步风力发电系统的机理仿真模型,用两电平双PWM全功率换流器连接风力发电机与电网。然后基于以上模型,分别设计了整数阶PI控制器、分数阶PI"控制器、模糊分数阶PP控制器以实现MPPT控制。最后对以上控制策略进行了仿真研究。结果表明,无论在阶跃风速还是随机风速下,模糊分数阶PU控制器相较于其他两种均具有更出色的MPPT性能与更强的鲁棒性。

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。

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。

并联永磁同步风电机组小干扰稳定性分析

采用平均磁链定向控制多台永磁同步风电机组进而构造分频发电系统是未来陆上尤其是海上风电的汇集方案之一,但对该模式下多台风电机组间稳定性的研究鲜有文献涉及。针对此问题,基于特征值分析法,研究了平均磁链定向控制的永磁同步风电机组之间的小干扰稳定性。首先,基于高压大容量直驱式永磁同步风电机组的分频集电系统拓扑结构,建立了适用于小干扰稳定分析的风电系统的数学模型;其次,通过辨识振荡模态并分析模态参与因子确定了影响系统振荡的主控因素,通过绘制根轨迹分析了主控因素参数变化对系统振荡的影响,并发现系统振荡受发电机电感、电阻和直流电容参数的影响最大;最后,通过时域仿真验证了研究结论的正确性。

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。

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。

基于开绕组电机的电动汽车双电池集成充电系统准直接功率控制

针对基于开绕组永磁同步电机和双电池组驱动的电动汽车提出一种集成化充电拓扑,充电运行时将双逆变器和电机绕组复用为双PWM整流器及其输入侧滤波电感。在三相电压源型整流器(VSR)和开绕组永磁电机数学模型的基础上,将电网坐标系和电机坐标系相统一,分析了充电状态下的电磁转矩。实际运行时存在双电池剩余电量不相等的情况,导致充电时双通道功率不平衡,因此设计了一种准直接功率控制策略,以解决功率不平衡带来的转矩脉动问题。最后通过仿真和实验验证了该集成化充电拓扑的可行性。

风储一体化系统无功响应技术研究

针对永磁直驱风机与分散式混合储能系统提出了联合无功控制策略。首先对永磁直驱风机以及储能系统的无功调节能力进行分析,确定永磁直驱风机与储能系统通过变流器控制均可参与无功调节;其次提出无功控制策略,从信号接收、初次分配、内部分配等方面进行分析,在初次分配中采用了等裕度分配方法,在内部分配中考虑了以储能优先出力进行比例分配;最后通过仿真验证了该策略的有效性,该策略可充分利用永磁直驱风机与储能系统的无功容量能力对电网的电压提供有效支撑。

储能/发电机级联式供电系统功率传输控制策略

随着可再生能源渗透率的不断提升,区域电网惯性逐步降低,暂态支撑能力严重不足,给电网带来了一系列安全问题。文中提出一种储能与开绕组永磁同步发电机(open-winding permanent magnet synchronous generator,OW-PMSG)级联供电的新型分布式并网发电拓扑,在保证可再生能源消纳的前提下,重新利用原有柴油机,为电网提供功率后备以及惯量支撑。通过对OW-PMSG进行建模以及系统功率流矢量分析,设计基于源网相位差闭环控制的功率传输策略,实现发电机的稳定同步运行。基于该策略,拓扑中的储能变流器可具备同步发电机特性,实现了电网惯性和暂态支撑能力的进一步提升。仿真结果验证了所提控制策略的有效性。

高速高功率密度无轴承永磁薄片电机设计与优化

传统无轴承电机在高速和高功率密度之间难以取得平衡,为此围绕高速高功率密度无轴承永磁薄片电机,对其拓扑结构、绕组形式、主要尺寸等方面进行优化设计,在保证转速和功率密度的基础上有效地提升悬浮性能。通过对运行工况的分析,得出电机拓扑结构需具备的基本特点,提出一种采用环形集成绕组的表贴式无轴承永磁薄片电机。在兼顾转矩和悬浮力输出性能、机械防护可靠性的基础上,对电机的电磁气隙长度和永磁体参数等主要尺寸进行优化设计。针对电机饱和、绕组端部伸出等不利因素,分别采取了超前角弱磁、定子略长的性能提升策略,有效地避免了悬浮力的大幅度跌落。搭建20 000 r/min的无轴承永磁薄片电机有限元仿真模型并制造实物样机。通过对电磁转矩和主、被动悬浮力的分析,证明了本文设计的无轴承永磁薄片电机兼具良好的转矩与悬浮力输出性能,单位幅值电流产生的电磁转矩、主动悬浮力分别为0.166 N·m、4.4 N,电机输出功率10 kW、功率密度5.2 kW/kg。

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。

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。

基于自抗扰控制策略的直接转矩风力发电系统研究

针对直接转矩控制的永磁直驱风力发电系统中系统未能较好地跟踪最大功率点的问题,提出将自抗扰控制策略加入风力发电系统机侧控制结构中以提高系统性能。基于风力机和永磁同步风力发电机数学模型,结合自抗扰控制的基本模型构建发电机自抗扰速度环,最后以Matlab/Simulink软件对所提控制策略进行仿真分析,对比传统PI控制直接转矩风电系统,自抗扰控制策略的引入可提升系统整体的抗干扰能力和跟踪性能。

海上直驱永磁风电系统非对称故障主动识别方法

传统风电系统故障识别方法容易受到线电压误差影响出现误判,导致故障数据识别结果精度不高,因此提出海上直驱永磁风电系统非对称故障主动识别方法。分析非对称故障下风电系统的运行特性。根据连续时间信号,采用主动学习方法消除信号基频。使用逆向扩散法调整主动学习参数,判断故障态、预警态事件。利用电压幅值和时间宽度双重标准分析线电压误差,采用数据互校验方法确认故障事件可信性,完成故障主动识别。实验结果表明,所提方法能够主动发现风电系统中的电流异常情况和谐波畸变程度,直流分量最大误差仅为0.05 A。