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考虑功率输出与平滑性的连续风扰下风能转换系统强迫扭振抑制方案
Suppression Scheme for WECS's Forced Torsional Vibration Under Continuous Wind Disturbance Considering Power Yield and Smoothness
| 作者 | Feng Jia · Zhe Xu · Xuhui Tan · Lei Chen · Liang Ji · Yang Fu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 风力发电系统 强迫扭转振动 电气阻尼重塑 最优控制参数 功率跟踪 |
语言:
中文摘要
风能转换系统的主要控制目标包括最大化发电功率和最小化不必要的机械负载。在持续的风扰动下,传动系统会出现宽频带的强迫扭转振动,其频谱与风的波动频谱相似。研究还发现,现有的主动阻尼控制无法有效抑制强迫扭转振动,其中一些控制方法甚至可能产生不利影响。此外,抑制这种宽频带的扭转振动可能会恶化功率跟踪效果并加剧功率波动。为解决上述问题,本文首先定义了一个闭环传递函数来描述强迫扭转振动特性。揭示了抑制扭转振动所需的电气阻尼重塑要求,进而提出了一种具有频率区分性电气阻尼配置的控制器结构。定性分析了控制参数 τ 对多个控制目标的影响,然后提出了一种结合三个闭环传递函数和范德霍芬频谱的最优控制参数 τₒₚₜ 定量设计方法,以充分兼顾功率跟踪能力、功率平滑度和扭转振动抑制。搭建了基于 GH Bladed 和倍福 C6930 的控制器硬件在环仿真平台,对所提方法进行验证。测试结果表明,所提方法能够在持续风扰动下,在实现最大功率跟踪和最小化功率波动的同时,有效降低强迫扭转振动。
English Abstract
The main control objectives of wind energy conversion system include maximizing power yield and minimizing unnecessary mechanical loads. Under continuous wind disturbances, the forced torsional vibration with broad frequency-band has been detected on the drive train, which share the similar spectrum with the wind fluctuations. It is also found that the existing active damping control cannot effectively suppress the forced torsional vibration, some of which may even have adverse effects. Besides, the suppression of such wide broadband torsional vibration may worsen power tracking and power fluctuations. In order to solve the above problems, this paper first defined a closed loop transfer function to describe the forced torsional vibration characteristic. The demand of electrical damping reshaping for suppressing torsional vibration is revealed, and then a controller structure featuring frequency-distinct electrical damping configuration is proposed. The impacts of control parameter τ on multiple objectives are analyzed qualitatively, then a quantitative design method of optimal control parameter τopt combining three closed-loop transfer functions and the Van der Hoven spectrum is proposed to give full consideration of power tracking ability, power smoothing and torsional vibration suppression. The controller hardware-in-loop simulation based on GH Bladed and Beckhoff C6930 is established for the verification of the proposed method. The test results show that the proposed method can effectively reduce the forced torsional vibration while keeping maximizing the power tracking and minimizing power fluctuation under continuous wind disturbance.
S
SunView 深度解读
从阳光电源风电变流器及新能源综合解决方案业务视角来看,这项针对风电系统传动链扭振抑制的研究具有重要的工程应用价值。论文提出的频率区分电阻尼控制策略,本质上是通过优化变流器控制算法来实现机电耦合系统的多目标协同优化,这与阳光电源在风电变流器领域追求高可靠性、高发电效率的技术路线高度契合。
该技术的核心价值在于解决了传统有源阻尼控制在宽频风扰动下的失效问题,通过闭环传递函数重构和Van der Hoven风谱结合的定量设计方法,实现了功率跟踪、功率平滑与扭振抑制的帕累托优化。对于阳光电源而言,这意味着可在不增加硬件成本的前提下,通过软件算法升级显著延长传动链寿命、降低机械应力载荷,同时保持最大功率点跟踪性能。这对于提升风电场全生命周期经济性具有直接意义,特别是在大型化、柔性化趋势下的海上风电应用场景。
从技术成熟度评估,论文已完成基于GH Bladed和工控硬件的半实物仿真验证,距离工程化应用仅差现场实证环节。阳光电源可将该算法集成至现有1500V风电变流器平台,结合公司在储能系统的振荡抑制经验,形成差异化竞争优势。潜在挑战包括不同机型传动链参数辨识的鲁棒性、极端工况下控制参数自适应调整,以及与现有LVRT、调频等附加功能的协调。建议优先在陆上大兆瓦机组开展试点,积累数据后向海上风电及风储耦合系统推广,这将为阳光电源在风电后市场服务和智能运维领域开辟新的增长点。