液压型风力发电机组低电压穿越控制基础理论研究

Wind turbine generator system driven by hydrostatic drivetrain(HWTG) used the fixed-displacement pump/variable motor of flexible transmission cooperated with excitation synchronous generator, decreasing the weight of engine room of Wind turbine generator system, improving the quality of the power generation, reducing the impact of power grids. But when the grid fault or disturbance which cause network voltage drops of the wind farm, the characteristics and control method of Low Voltage Ride Through (LVRT) of HWTG is unclear. To solve this problem,the project intends to carry out the following researches:(1)we will study on the law of transient energy storage and release of wind turbine, and propose the control method of rapid variable propeller pitch of HWTG.(2)we will study on the transient response characteristics of electromagnetic torque of generator and reactive power, and propose the control rule of LVRT of HWTG.(3)we will study on the transient response rules of hydraulic transmission system used fixed-displacement pump/variable motor, propose multiple target optimization control strategy ,including hydraulic system adjust transport active power fastly and stable motor output speed and so on during the process of LVRT.(4)According to the pitch-controlled and the coordination control rule of the hydraulic system and the generator, we will put forward a integrated control strategy on LVRT. The study of this project will lay a theoretical foundation for improving low voltage through the process stability of HWTG,achieving friendly performance of power grid and realizing the extension of application.

液压型风力发电机组采用定量泵-变量马达柔性传动与励磁同步发电机配合，降低了风力发电机组机舱重量，提高了发电质量，降低了电网冲击。但当电网故障或扰动引起风电场并网点电压跌落时，液压型机组"穿越"这个低电压区域的机理及控制方法尚不明确。为有效解决这一问题，本项目拟开展以下研究：(1)研究风力机瞬态能量存储与释放规律，提出液压型机组快速变桨距弃风控制方法；(2)研究发电机电磁转矩和无功功率的瞬态响应特性，提出液压型机组低电压穿越控制原则；(3)研究定量泵-变量马达液压传动系统的瞬态响应规律，提出低电压穿越过程中液压系统快速调整传输有功功率和稳定马达输出转速等多目标优化控制策略；(4)研究液压型机组变桨距控制、液压系统控制和发电机控制的协同控制机制，提出低电压穿越的综合控制策略。本项目研究将为提高液压型机组低电压穿越能力，获得电网友好性能，实现应用推广奠定理论基础。

随着风力发电在能源供应中比重的日益增加，为保障电力系统的稳定性，液压型风力发电机组需要有在低电压工况下稳定运行的低电压穿越能力。为此，本项目完成了以下五方面研究：①得到了液压型风力发电机组低电压穿越工况下的运行规律，建立了电压跌落时风力机、液压调速系统以及发电机的暂态数学模型，实现了低电压实际运行过程中完成机组运行规律的精确分析。②建立了基于液压马达摆角控制低电压穿越控制策略。通过分析机组并网后的功率控制响应时间、稳定运行特性，揭示了系统功率变化规律，采用直接控制摆角补偿值法，控制系统传输功率。③建立了基于阀—马达联合调控的低电压穿越控制策略。分析了系统的能耗机理，通过耦合特性研究得到解耦方法,提出通过比例节流阀开度和变量马达摆角控制液压系统输出转矩和输出转速的低电压穿越控制方法，最终实现机组低电压穿越过程中传输功率的快速调整，同时保证发电机稳定工作于工频转速保持并网运行。④建立了液压型风力发电机组低电压穿越电磁转矩动态补偿控制策略，分析了机组因电磁转矩波动而失稳的机理，设计了电磁转矩状态观测器，准确预测了电网故障下电磁转矩波动规律，并提出了基于比例节流阀开度调整的电磁转矩波动补偿控制策略，有效地解决了机组低电压穿越过程中液压马达转矩波动和转速失稳的问题。⑤针对机组低电压穿越过程中的能量调控问题，提出了一种基于分层控制思想的低电压穿越控制方法，即设计了基于风力机调桨控制的顶层控制、基于变量马达摆角控制的中层控制和基于节流阀开度控制的底层控制。上述研究使低电压穿越达到最大冲击电流小于1.5倍额定值，冲击转矩小于1.6倍额定转矩的性能指标，形成了基于机组能量调控的低电压穿越控制策略，从整机角度解决了低电压穿越过程中能量调控问题。.项目执行期间，共发表论文13篇（其中SCI/EI检索8篇），申请发明专利7项，其中授权3项，实际培养研究生9名，其中1名博士研究生，主持国家科学技术学术著作出版基金1项，培养了河北省青年拔尖人才1人、河北省优秀青年基金1项。