基于非线性动力学的分数阶直驱式永磁同步发电机建模与性能分析

本文主要研究分数阶直驱式永磁同步风力发电机(分数阶D-PMSG)的动力学行为,旨在探究不同参数、不同阶数下系统的运动状态及性能特征。首先,利用一个实际的发电机参数,建立D-PMSG的分数阶数学模型,同时为了降低系统参数的复杂性,以便对其进行动力学行为分析,本文通过仿射变换的方法,构建了分数阶D-PMSG模型的紧凑表达形式。在此基础之上,对所构建的分数阶D-PMSG在不同阶数、参数下进行数值仿真,得到相应的分岔图、功率谱和相图等,对系统的动力学特性及性能进行分析,同时获得了系统脱离混沌状态时系统参数与阶数之间的关系曲线。这些分析结果可为D-PMSG在实际设计、运行及控制方面提供一定的理论基础。     

直驱风机三相短路电流特性分析

为了深入分析直驱风机的故障特征,提出了直驱风机的网侧变流器简化模型和含卸荷电路的控制器外特性模型。网侧变流器是一个控制作用下的电能平衡系统,主要研究元件的功能和外特性,忽略网侧变流器的复杂结构,解析直驱风机的短路电流,实际是分析风机端电压跌落作用下的三相电流响应规律。与详细模型进行对比验证,结果表明:当卸荷电路不投入时,直驱风机短路电流稳态值与其输出功率和电压跌落程度有关,除含有工频分量外还有与控制参数相关的衰减频率分量,短路电流呈现先逐渐增大后再减小到稳态值的趋势,随着电压跌落程度的加深,短路电流最大值增加且达到最大值的时间也增加,暂态衰减过程延长;当卸荷电路投入时,短路电流为变流器输出电流的上限。提出的方法有效表征了直驱风机故障特性,对分析逆变型分布式电源的故障特征及其继电保护相关问题具有借鉴意义。     

混合风电场中双馈风电机组三相短路电流分析

近年来风力发电发展迅速,风电场逐渐形成了双馈风电机组和直驱风电机组混合运行的格局。由于双馈风电机组与直驱风电机组暂态特性的差异,直驱风电机组对双馈风电机组的短路电流可能产生影响,无法对混合风电场的短路电流进行准确计算。为此,针对双馈风电机组和直驱风电机组组成的混合风电场,建立了混合风电场故障工频等效电路,推导了不同机组影响下的双馈风电机组输出短路电流表达式。通过与单机双馈风电机组短路电流的对比,分析并总结了混合风电场中双馈风电机组短路电流的影响因素和变化规律。针对不同影响因素下双馈风电机组的短路电流,利用时域仿真进行了分析和验证,仿真结果证明了理论分析的正确性。     

直驱永磁同步风电机组在不同电网故障下的动态响应仿真分析

以单台2 MW直驱永磁同步风力发电机(direct-driven permanent magnet synchronous wind power generator,D-PMSG)为研究对象,分别建立了风机、永磁同步电机、变流器等环节的数学模型。参考我国发布的风电场低电压穿越(low-voltage ride through,LVRT)标准,基于Matlab/Simulink建立整个系统仿真模型。对三种电压跌落故障情况下的风力发电机组动态响应特性进行仿真,对比分析不同故障下各个变量不同的变化情况;并对其相应的控制策略进行了探讨,为更进一步研究低电压穿越标准下的控制策略提供了依据。     

直驱永磁风力发电机高温短路去磁分析

利用Maxwell电磁场软件的二维瞬态分析功能,对兆瓦级直驱永磁风力发电机进行了空载时各种突然短路仿真.在最大短路电流时刻对永磁体的去磁程度进行分析,为永磁电机设计永磁体去磁工作的研究提供了理论依据.     

兆瓦级永磁直驱风力发电机瞬态场分析

永磁直驱风力发电机是风力发电的中核心装备,其设计分析具有重要意义.分析了永磁同步电动机转子磁极结构和永磁材料性能,利用Ansoft软件对兆瓦级永磁直驱风力发电机进行瞬态场电磁分析.得到了空载、负载运行时永磁直驱风力发电机磁场分布.为永磁直驱风力发电机的设计提供有效参考.     

一类永磁同步风力发电机混沌系统分析与控制

鉴于直驱式永磁同步风力发电机(D-PMSG)在运行启动或停机时存在混沌振荡现象,这对整个系统及工作状况将产生不利影响。提出了用最优控制,使系统脱离了混沌,运行稳定。首先,验证了在某些参数与工作条件下系统会出现非常复杂的混沌运动。基于最优控制理论,提出了一种控制器,该控制器不仅简单而且易实现。仿真结果验证了理论分析的正确性,以及对研究优良的控制方法提供了理论参考。     

基于限幅环节动作时间的直驱永磁风电场等值建模

提出基于网侧控制器限幅环节动作时间分群的直驱永磁风电场动态等值建模新方法。分析了直驱永磁风电机组网侧控制器电流限幅环节动作特性的影响因素,指出网侧控制器限幅环节的动作特性主导了风电机组的动态。提出了基于稳态出力以及电压跌落程度的直驱永磁风电机组网侧控制器限幅环节动作时间的快速估算方法,进一步采用K-means方法将网侧控制器限幅环节动作时间相近的直驱永磁风电机组进行分群聚合。以某一风电场接入10机39节点系统为例,比较风电场分别采用详细模型和等值模型下的动态响应结果,以及风电场动态等值前后原系统的小干扰稳定性和暂态稳定性,证明了本文所提动态等值方法的有效性和可行性。     

永磁直驱式风力发电机三相不平衡的补偿控制算法

提出了一种用于电网侧三相电压不平衡情况下的永磁直驱式风力发电机的逆变控制算法.通过对不平衡三相瞬时电压的矢量变换、分解并形成负序电流分量,与通过锁相环单位归一化的逆变输出电流相加,可以保证永磁直驱式风力发电机逆变输出的电流具有良好的正弦及三相平衡特性.该控制算法解决了永磁直驱式风力发电机在电网侧三相电压不平衡情况下的输出畸变问题,算法简单有效,计算量小,硬件采用分立元件即可实现,方便且可靠.     

PSO-ELM在低压系统短路电流峰值预测中的应用

在短路电流早期检测的基础上,提出一种基于粒子群优化极端学习机(PSO-ELM)的短路电流峰值预测方法.利用短路电流暂态特性分析确定预测模型的输入特征量,采用粒子群算法对极端学习机的输入权值和隐层偏置进行优化,最后,将提出的预测算法应用于低压多层级实验平台,并且与传统BP、 ELM算法进行比较.实验结果表明,基于PSO-ELM模型的短路电流峰值预测方法能够在全相角范围内准确地预测短路电流峰值,可作为低压多层级系统全选择性保护的短路故障预测算法.     

Special report on relationship between wind farms and power grids

The installed capacity of a.large scale wind power plant will be up to a number of hundreds MW, and the wind power is transmitted to load centers through long distance transmission lines with 220 kV, 500 kV, or 750 kV. Therefore, it is necessary not only considering the power transmission line between a wind power plant and the first con- nection node of the power network, but also the power network among the group of those wind power plants in a wind power base, the integration network from the base to the existed grids, as well as the distribution and consumption of the wind power generation by loads. Meanwhile, the impact of wind power stochastic fluctuation on power systems must be studied. In recent years, wind power prediction technology has been studied by the utilities and wind power plants. As a matter of fact, some European countries have used this prediction technology as a tool in national power dispatch centers and wind power companies.     

风墙聚能风力机的三维数值模拟及优化

风能是一种洁净的可再生能源,对风能的开发已受到广泛的重视.采用商用计算流体力学(CFD)软件FLUENT,对风墙聚能风力机进行三维数值模拟.计算在相同来流条件下,不同尺寸和形状的风墙中风力机的聚能增益比,由此来寻求风墙的尺寸和形状对风机聚能的影响规律.对于影响风机聚能效果的参数采用正交优化方法进行分析和优化,得出风墙形状对聚能效果的影响规律,为风墙聚能风力机的试验和建造提供了依据.     

全国低风速气象特征分析

利用1985-2014年NCDC数据库345个地面站的气象资料, 统计全国低风速条件的日变化、月际变化、年际变化和持续性等基本特征, 分析低风速频率空间分布的规律和季节变化。选取哈尔滨、乌鲁木齐、北京和成都4 个代表城市, 分析不同地区低风速条件的特征和年际变化情况。结果表明: 1) 30年间, 全国低风速频率约为40%, 其中哈尔滨低至25%, 成都高达60%; 2) 低风速出现频率表现为夜间高、白天低的特征; 3) 全国从9月至次年1月, 低风速状况出现频繁, 之后不断减少, 春季4月达到最低, 哈尔滨秋季的低风速频率最高, 其他3 个代表城市皆是秋冬季的低风速频率最高; 4) 全国持续3个小时(及以上)的低风速状况出现概率为36%, 其中成都地区的低风速持续性高, 持续12小时(及以上)的概率达到20%; 5) 全国低风速频率的总体空间分布是南方高北方低, 内陆高沿海低, 分布的范围和频率随季节变化; 6) 哈尔滨的低风速频率有明显增加趋势, 其他3个代表城市的长期变化趋势不明显。     

风电机组叶片流固耦合的数值模拟方法

 以某5 MW 风电机组叶片模型为对象,研究一种适用于风电机组叶片流固耦合数值模拟的风轮旋转模拟方法。以风切变形式模拟风轮旋转及来流风速的综合效应,对叶片各截面翼型的扭角进行修正,建立风电机组叶片的风轮旋转模拟模型,利用有限元法模拟风电机组叶片的风洞流场实验,仿真模拟旋转效应下风电机组叶片的周围气压、绕流分布、表面压力及结构位移,并进行数据交叉迭代求解,得到风电机组叶片的流固耦合结果。与额定风速均匀来流条件下的初始模型计算结果和文献实验结果进行对比分析,验证了风轮旋转模拟方法的可行性。     

建筑数值风洞的基础研究

数值风洞模拟要想获得理想的计算精度,依赖计算人员的理论基础及其在具体操作中对各种重要因素的选择.针对这个问题,本文采用一个CUBE建筑模型的风洞试验的试验结果作为比较标准,比较了各种不同条件下的建筑数值风洞模拟结果和试验结果,着重分析了网格划分、计算区域、湍流模型和对流项的差分格式等因素对建筑数值风洞数值模拟结果的影响.模拟结果表明:在各种影响因素中,计算区域的影响相对较小,而网格划分、湍流模型的影响相对较大.最后给出如何对上述各种因素作出合理选择的建议.     

低风速风力发电机组造价与度电成本分析

为了提高低风速条件下风力发电机组的经济效益,提出了一种通过合理设计叶片来降低机组度电成本的方法。以相同功率等级、不同叶片长度的3种风力发电机组作为研究对象,在不同风力条件下分别计算各机组的年发电量,利用经验公式对各机组的总成本进行估计。结果表明:机组的度电成本随着平均风速的升高而降低。在平均风速较高的地区,长叶片机组在度电成本上的优势并不明显。而在平均风速较低的地区,机组的年发电量随着叶片的加长而明显增加;尽管总成本有所升高,但度电成本依然得以降低。通过适当减小叶片的最佳叶尖速比、增大风能利用系数也可以降低度电成本。该文还论述了通过合理选择叶片长度、优化翼型以及应用新材料来提高机组经济效益的可行性。     

基于一种标准城市建筑模型的行人高度风环境比较研究

对日本建筑学会（AIJ）提出的标准建筑风环境模型,分别采用风洞试验、基于雷诺平均（RANS）和大涡模拟（LES）的数值模拟方法,开展了考虑不同中央高层建筑高度和来流风向角对周围行人高度风环境影响的详细比较研究。结果表明：RANS和LES模拟得到各测点风速比的变化趋势与风洞试验整体上一致,相对而言,LES模拟结果与风洞试验结果更接近,平均误差约为RANS的1/2;而RANS方法总体上低估了行人高度风速,无法准确反映建筑背风面的风加速状况。随着中央建筑高度的增加,周边行人高度风速逐渐增大,100 m高度的超高层建筑对局部区域风速的加速达到1.6倍;但当中央建筑高度超过150 m、继续增大至200 m时,行人高度风速不再增大。当风向角在0°～90°范围变化时,在高层建筑背风面和角区附近会产生行人高度风场加速的“文丘里效应”;其中当来流风向角为45°时,风加速情况最为显著,显示出斜风来流工况下会对高层建筑周边行人风环境带来最不利的影响。     

中国潜在风力发电量的年际变化

结合观测资料和数值模拟结果, 基于GE 2.5 MW 风机的功率曲线, 分析1982-2006 年中国大陆陆地上潜在风电量的年际变化。结果表明, RegCM3 模式风速、观测插值风速和两者平均风速对应的 25 年平均年潜在风电量分别为每年 25, 2.5 和11 PWh, 均超过中国2030 年预期电力需求的20% (2 PWh)。三者年潜在风电量的相对标准差分别为 3%, 8%和 5%, 相对极差分别为 15%, 33%和 23%, 年际变化较大。由于风电和电力需求的季节性不匹配以及风电较大的年际变化, 若仅依靠风电, 在夏季容易出现电力缺口, 意味着需要大量后备发电机组, 这将提升发电总成本, 降低风电减排效益。     

不对称电网故障下双馈风电机组低电压穿越方案比较研究

相比于对称电网故障,不对称电网故障在实际电力系统运行中发生的概率更大,其对双馈风电机组(DFIG)的“有害”影响也更大。首先分析了不对称电网故障下双馈风电机组的瞬态特性,继而结合仿真,研究了双馈风电机组各种低电压穿越(LVRT)技术方案在严重不对称电网故障下的运行特性。在此基础之上,对不同的低电压穿越方案进行了深入分析研究,阐述了其运行特点,并进一步探讨了各种低电压穿越方案的经济性,为工程实现各种低电压穿越方案奠定基础。     

基于概率支持向量机的激光雷达风切变图像的识别

针对标准支持向量机在激光雷达风切变图像识别中无法提供后验概率这一问题,从有监督聚类的角度,提出一种基于FCM的概率支持向量机识别方法. 先利用灰度-梯度共生矩阵提取激光雷达风切变图像的纹理特征,再利用支持向量机确定分类面,最后利用条件约束和FCM确定各类样本距离分类面的概率分布. 实验结果表明,该算法对3种风切变的整体识别率可达到95.52%,与两种同类算法相比,识别率分别提高了1.27%和1.21%.