现代大型风电机组现状与发展趋势

在各种可再生能源利用中,风能是使用最为广泛和发展最快的可再生能源之一,是近期内最具有大规模开发利用前景的可再生资源。通过对风力发电产业现状进行梳理、归纳和分析,总结了风电机组未来发展趋势,并对风电机组风轮气动分析、载荷计算与分析、结构动力学与控制、能量流传递与调控和变桨距系统等研究现状和面临的问题进行了分析。指出风电机组是涉及多学科理论的复杂非线性系统,包含多物理场和多物理过程,在进一步深入研究过程中,应充分运用多学科知识,采用系统科学的思想方法才能获得全面深入的研究结果。

提高双馈式风电系统故障穿越能力的控制策略

针对基于旁路电阻Crowbar装置的双馈风电系统故障穿越技术的一系列问题:Crowbar装置短接转子,无功功率消耗过多;Crowbar电阻产生高压威胁直流母线电容的安全;母线电容的过储能难以释放并威胁变频器的安全运行,而采用一种新型故障穿越技术。该技术采用双PWM变频器线路暂态优化控制,实现逆变器并联无环流运行。暂态优化控制包含双PWM变频器线路重构、Crowbar装置、无功电流给定和无功电流优先原则4个部分。通过与基于Crowbar装置的故障穿越技术对比仿真,验证新型故障穿越技术能够提高系统无功补偿能力、支持公共连接点电压、及时释放母线电容过储能以及保护变频器安全运行。新型故障穿越技术的设计参考德国E.ON公司电网标准,对我国今后制定并完善风力发电并网标准有着现实意义。

基于SCADA系统的大型直驱式风电机组机舱振动分析

选取某2 MW直驱式风电机组对其机舱振动进行分析。基于风电场数据采集与监视控制系统(SCADA)提取机舱振动数据及其他运行状态参数,利用有限元仿真方法获得塔架模态频率及其相应振型。分析风速、风轮转速、变桨距和偏航动作等对振动的影响,进行基于离差平方和法(Ward)的振动聚类分析。结果表明:风轮转速由当前风速及前一段时间风速均值决定,与某一风速对应的转速在一定范围内取值;风电机组振动极大值出现在风轮运行频率与塔架固有频率接近时;对状态参数归类后,振动具有各类特征。

MW级变桨距风电机组叶片转矩计算与特性分析

以叶素-动量理论及其修正方法为理论基础,以某MW级水平轴式风电机组为研究对象,建立MW级风电机组叶片转矩特性数学模型,对计算算法进行了分析与讨论。获得了来流风速切变条件下,诱导因子变化规律以及叶片载荷、叶轮转矩、机械功率、风能利用系数等计算结果,与风电机组实际状况基本吻合。计算结果表明,单个叶片承受周期性交变载荷,而风轮合转矩波动量较小,在满足风电机组功率稳定输出性能指标的同时,期望改善叶片载荷状况,延长其寿命,应采用独立变桨技术。

极端服役环境下的风电机组塔架结构参数优化研究

以大型风电机组塔架为对象,开展了极端服役环境下的塔架结构参数优化设计研究。采用壁厚分段式线性变化结构对塔架进行描述,介绍了基于BEM理论的风电机组气动载荷分析方法,运用有限元仿真分析塔架结构参数与极限载荷作用下的应力以及结构参数与固有频率的关联特性,采用支持向量机(SVM)方法分别构建了结构参数与应力、固有频率的快速计算模型。以质量最小为目标,强度、固有频率和边界条件为约束对塔架结构参数进行了设计优化,引入遗传算法(GA)进行优化求解。对某2MW风电机组塔架进行实例设计研究,结果表明优化后的塔架质量减小3.5%。

网源协调环境下风电机组变桨距控制策略

分析了电网扰动时的风电有功控制实现机理;以最大限度沿用已有变桨距系统软硬件为原则,设计了支持系统保护、频率控制调节的变桨距控制策略及其与已有变桨距系统的集成。重点基于层次化状态机技术,对电网正常和电网扰动时的变桨距控制逻辑进行分治与协调,改进了变桨距控制状态机;立足于现行主流变桨距系统,提出了一种紧急桨距角计算方法,动态确定机组参考桨距角。仿真结果表明:给出的状态机具有较高的可靠性;给出的变桨距控制策略能按系统保护、频率控制调节的要求长时间、大幅度地调节输出功率。

风电场SCADA数据预处理方法及评价策略

为了从SCADA数据中获得更明确的物理信息,更好地判断风电机组运行状态,分别将常规平均数法、最小二乘法和该文提出的非参数法(核密度-均值法)用于风电场SCADA数据预处理。建立风电场SCADA数据预处理算法的3个评价指标,包括物理特性一致性、采样时间变化稳健性及采样频率变化稳健性。设计评价指标定量计算公式,用以评价各种预处理算法效果,计算结果表明非参数法(核密度-均值法)能够获得更好的预处理效果。最后,基于核密度-均值法对全工况风电机组SCADA数据进行预处理,分析风电机组运行特性,包括风速与输出功率、轮毂转速的关系以及风能利用系数。

基于孤立森林与稀疏高斯过程回归的风电机组偏航角零点漂移诊断方法

偏航角零点漂移严重影响风电机组性能,将之消除的前提是对其进行可靠且快速的检测。基于风能捕获机理,该文提出一种运用机器学习算法的偏航角零点漂移诊断方法。首先,采用孤立森林(isolated forest,IF)异常值检测算法对数据进行预处理;其次,建立非参数模型稀疏高斯过程回归(sparse Gaussian process regression,SGPR)估计偏航角零点漂移;最后,利用多个风电场的风电机组实际运行数据对所提方法进行验证,并分析不同诊断模型对数据量的依赖性。结果表明:IF+SGPR方法准确性高,所需数据量少,能够快速诊断偏航角零点漂移;该诊断方法能够应用于各种电场不同型号的风电机组,普适性较高。

直驱风电机组机侧变流器控制系统动态重构控制策略

在风电机组控制系统中,已成熟的控制策略都是建立在传感器输出可靠信号的基础上。一旦传感器故障,将影响机组的安全性和利用率,甚至影响并网质量。为了提高直驱风电机组故障容错能力,提出了机侧变流器控制系统的动态重构控制策略,根据转子位置传感器状态判别,在控制系统中对有位置传感器控制模式和无位置传感器控制模式进行动态无扰重构,并基于拉格朗日插值算法,实现重构过程连续性和一致性。仿真结果表明:无位置传感器控制模式的稳态性能不如有位置传感器模式,但可以作为后备模式在传感器故障期间保守运行,所提出的重构过程控制方法可满足连续性和一致性要求。

基于MMS的风电设备信息模型获取方法

风电机组与数据采集与监控(SCADA)系统之间数据不兼容将影响风电场的扩容和技术升级,需构建统一的数据模型。以一种基于IEC 61400-25协议和制造报文规范(MMS)通信协议的风电场通信软件开发为背景,介绍了风电场SCADA系统中对风电设备信息模型的获取方法。设计了风电场通信软件的体系结构和交互流程,构建了IEC 61400-25协议的风电机组信息模型,从业务逻辑控制模式、抽象通信服务接口(ACSI)服务到MMS服务的映射以及MMS报文生成等3个方面,阐述了风电设备信息模型在SCADA系统中重构的实现方法。

基于互信息冗余性分析的神经网络风电功率预测

针对神经网络的性能与网络的输入变量和训练样本关系密切的特征,提出基于互信息冗余性分析的神经网络风电功率预测方法,实现通过互信息的相关性排序滤波器来筛选各输入变量与目标变量间的相关性,以获取相关度大的输入变量;再由多变量互信息即交互增益构建冗余滤波器,滤除冗余的相关变量,获得一个最简约的最优输入变量集.两个滤波器的参数由交叉验证算法来获取最优值.以湖南郴州某风场的实测数据为例进行相关实验,结果表明:本方法在减少输入变量情况下,能获得较好的预测性能.

基于改进的最大似然法识别风力发电机转子的载荷参数

风机不对中故障是多载荷参数耦合而成,工程师难以凭经验了解载荷参数的大致范围。针对因转子结构参数和测试条件等不确定性参数的存在及载荷参数先验信息未知,最大似然法识别转子不对中故障的载荷参数时采用的搜索计算面临计算量大,且迭代过程中灵敏度会带来一些数值问题。引入搜索区间进退法到敏感矩阵法与最大似然法中,对最大似然法进行改进。改进后的最大似然法中的迭代适于处理复杂工程优化问题,避免传统迭代数值法对搜索空间的苛刻要求。以输入尺寸和输出测试响应具有随机性测量误差的风力发电机转子系统为例,在三种测量误差下的识别结果表明,改进的最大似然法提高了最大似然法的辨识效果,可以减少不确定性因素对识别结果的影响,鲁棒性好。

兆瓦级风电机组变桨距控制系统设计

作为限制出力和制动速度的决定性系统,变桨系统的安全可靠性十分重要,目前我国风电机组的变桨距控制系统主要依靠引进.该文在研究和分析风电机组变桨距控制系统控制原理的基础上,从主体功能架构、可靠性保障措施、伺服驱动控制等3个环节展开对变桨系统的总体设计,采取有限状态机模式设计变桨距控制软件,并搭建了嵌入式软硬件实验平台进行验证.

基于EEMDSE-ILSTM的风电场超短期风速预测

不可再生资源的枯竭推动着新能源的发展,风电作为目前风能利用的主要形式得到了大面积推广。但风速非线性、非平稳性、时序性的特点对风机本身和电力系统都会产生不利的影响,因此精准的风速预测已经成为亟待解决的关键课题。基于组合预测方法,提出了一种EEMDSE-ILSTM风速预测模型。该模型利用集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)将风速数据分解为若干个分量数据集,并通过样本熵对各分量进行筛选以简化数据。将改进的鲸鱼算法与长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)结合,无监督生成合适的模型预测参数。在预测时依次对每个分量数据预测并将结果累加获得最终预测值。仿真结果表明,该模型与其他方法比较,显示出较好的预测精度和泛化性能。

面向楼宇微网家庭用电数据安全传输系统设计

为防止楼宇微网家庭用电数据被窃听、篡改和转发的现象,设计了一种面向楼宇微网家庭用电数据安全传输系统。该系统首先通过ZigBee构建用电数据传输网络并提出一种RFID合法认证方案;然后在用电数据传输的过程中采用一种改进的混合加密算法;此外,提出了一种适合该系统的边缘计算功能结构。系统实际测试结果表明,该系统不仅能保证ZigBee网络各节点的合法性与家庭用电数据传输的安全性,还能辅助用户快速监控楼宇微网家庭用电情况。

变速直驱开关磁阻风力发电系统雷电防护技术研究

根据风力发电机组防雷保护的研究成果和相关行业防雷标准,分析雷电的形成、破坏机理及其破坏形式。结合开关磁阻风力发电系统特征,划分雷电防护区域;按照风力发电机组防雷设计应该遵循的原则,通过外部防护和内部防护相结合,提出开关磁阻风力发电系统各部件防雷保护措施。为工程实践中开关磁阻风力发电系统的雷电防护提供一定的参考。

光纤通信在风力发电系统中的应用

光纤通信具有传输距离远、速度快以及抗干扰能力强等特点。针对风电场环境恶劣和电磁干扰大的特点,以及风机控制系统对实时数据的远距离高速稳定传输的要求,将光纤通信应用于大功率风力发电控制系统中。针对国产PLC项目开发的实际情况,详细介绍了基于STM32平台光纤通信的实现。通过现场调试分析,验证了系统数据传输的实时性、可靠性,很好地满足了风机控制系统的要求。

载荷参数对风力发电机锥形转子系统特征值的影响

转子不对中会造成运行故障和载荷参数改变.通过传递矩阵法,采用锥形类轴单元处理锥形转子,建立不对中风力发电机锥形转子系统的模型,并计算其特征值.分析锥形轴段单元数对其特征值的影响,讨论轴向载荷和扭矩载荷参数对风力发电机锥形转子系统特征值的影响.为风力发电机锥形转子系统不对中故障研究提供指导.

风电场IEC 61400-25到OPC XML-DA的映射实现与应用

大型风电场的风电设备与监控系统将由多个厂商提供,相互兼容困难,难以对风电场进行统一的维护和管理。国际电工委员会(IEC)针对上述即将出现的问题起草制定了面向风电场监控系统通信的IEC61400-25标准。在市场竞争和风电场扩容要求下,IEC61400-25标准势必成为风电监控系统通信的一个趋势。针对目前普遍采用的基于过程控制对象链接与嵌入技术(OPC)的风电监控系统现状,文中对IEC61400-25到OPC可扩展置标语言—数据访问(OPCXML-DA)的映射进行了深入分析,提出了具体的实现方案,构建了基于OPCXML-DA的风电场监控系统体系结构,设计了OPCXML-DA服务端软件模块架构,解决了目前常见的基于OPC的风电场监控系统与IEC61400-25标准的相容问题。

支持远程监测的风电场网络体系架构设计

设计了一种支持远程监测的风电场网络体系架构,该体系架构以风电场SCADA系统为基础,利用虚拟局域网(VLAN)技术成功实现了对风电场不同设备的统一监测。采用了2种实现远程监测的方案:一种方案利用NAT(网络地址转换)技术将风电场内网服务器提供的服务映射到公网特定端口;另一种方案利用VPN技术建立一条外网通往内网的SSL VPN隧道。针对风电场网络架构进行了冗余设计。实验验证了方案的可行性。