液压型风力发电机组输出功率波动机理及平抑控制研究

Wind turbine generator system driven by hydrostatic drivetrain (HWTG) used the fixed-displacement pump-variable motor of the closed volume speed control system. Compared with the Doubly Fed Induction Generator and Direct-Driven Generator, hydraulic drive system can effectively reduce cabin weight and improve power quality. It could reduce the impact on the grid also. Although using a flexible transmission mode in the power transfer process, there is a problem of fluctuations in the transmission power, and the formation mechanism of such power fluctuations is not clear and is not formation of mature control method. To solve this problem, the project intends to carry out the following research on the influencing factors and control means of the problem: (1) We will study the ultra-short-term prediction of wind speed at the temporal and spatial scales and establish a short-term time wind power prediction model at specific domain; (2) We will also establish a wind wheel torque ripple prediction model and research on the hydraulic pitch control method which inhibits torque ripple; (3) We will establish the transmission power fluctuations model considering the pipeline effect, the system leaks and characteristics of motor swing angle adjusting mechanism etc. and reveal fixed-displacement pump-variable motor closed hydraulic drive system transfer power fluctuation mechanism (4) We will put forward a control strategy that will inhibit the transmission power fluctuation amplitude and coordinate frequency of the HWTG variable pitch system and the main transmission system. The research results of this project will provide a theoretical basis on the HWTG high-quality power output control.

液压型风力发电机组采用定量泵-变量马达闭式容积调速系统作为传动方式，与传统双馈机型和直驱机型相比可有效地减轻机舱重量，提高发电质量，降低对电网冲击。但在功率传输的过程中虽然采用了柔性传动方式，依然存在传输功率波动的问题，且这种功率波动的形成机理尚不明确，未形成成熟的控制方法。为解决这一难题，本项目拟对该问题的影响因素和控制手段开展以下研究：(1)研究来流风速在时间和空间尺度上的超短期预测问题，在时域内建立特定频段的短期风功率预测模型。(2)建立风轮转矩波动预测模型，研究抑制转矩波动的变桨距控制方法。(3)建立考虑管路效应、系统泄漏、马达摆角调整特性等因素的传输功率波动模型，揭示定量泵-变量马达闭式液压传动系统传输功率波动的机理。(4)提出液压型风电机组变桨距系统和主传动系统抑制传输功率波动幅值与频段的协调控制策略。本项目的研究成果将为液压型风电机组高质量电能输出控制提供理论基础。

1.项目背景.液压型风力发电机组作为一种新型风力发电机组，基于其自身优势，越来越得到各行各业的认可。但由于风速具有时变性，不同工况下系统参数也会相应变化，故而要求液压型风力发电机组在不同工况下能够输出平稳功率，减小功率波动，提高电能质量。.2.主要研究内容.本项研究旨在解决液压型风力发电机组发电功率波动的平滑控制问题。主要包括以下研究内容：①短期风速预测研究；②风轮输出转矩波动机理及抑制转矩波动的变桨距控制方法研究；③定量泵-变量马达主传动系统传输功率波动机理与抑制功率波动方法研究；④液压型风力发电机组传输功率波动平滑控制方法研究.3.重要结果.（1）对风速变化和叶片载荷变化引起的功率波动进行深入的分析，了解功率波动原因。分析该多输入-多输出系统存在的耦合问题，提出采用前馈解耦补偿控制方法解耦。.（2）提出了比例流量阀与变量马达摆角双变量联合控制方法，提高了系统并网的可靠性。提出一种基于直接控制变量马达摆角的控制方法，保证了在低电压穿越过程中，处于并网状态的发电机能稳定工作。.（3）针对不同的风速，对低风速条件设计了基于转矩控制的功率追踪及功率平滑最优控制器；对高风速条件设计了功率平滑输出的模糊PID变桨距控制器；并提出了基于直接压力、系统压力和风力机转速等变量的最佳功率追踪方法，以及采用变步长、反馈线性化以及自抗扰控制方法的最佳功率追踪控制策略。上述针对机组功率控制的研究，有效的提高了机组的风能利用率和电能质量。.（4）优化和升级改造了液压型风力发电机组半物理仿真实验台.4.关键数据及科学意义.在低风速条件得到优化后功率波动均方差为0.0145，而优化前的功率波动均方差为 0.628； 在高风速条件下得到，优化前功率波动均方差为 0.5675，优化后功率波动均方差为0.039。.上述研究有效的提高了电能质量，为风力发电机组工程化和应用提供支撑，具有重要的理论意义和应用价值。