[论文解读] Modeling and control of modern wind turbine systems: An introduction

C. Dirscherl, Christoph M. Hackl+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2017

Wind Turbine Control Systems被引用 21

一句话总结

本文提出了一套全面的建模与控制框架，用于现代风力涡轮机系统，整合了气动、机械、电气及电力电子部件。该框架采用先进的基于矢量的控制策略，如电网电压定向控制和磁链定向控制，实现了最优功率提取、稳定的直流环节电压以及精确的无功功率管理，仿真结果验证了在不同风况下系统具备快速动态响应和鲁棒性能。

ABSTRACT

This chapter provides an introduction to the modeling and control of power generation from wind turbine systems. In modeling, the focus is on the electrical components: electrical machine (e.g. permanent-magnet synchronous generators), back-to-back converter (consisting of machine-side and grid-side converter sharing a common DC-link), mains filters and ideal (balanced) power grid. The aerodynamics and the torque generation of the wind turbine are explained in simplified terms using a so-called power coefficient. The overall control system is considered. In particular, the phase-locked loop system for grid-side voltage orientation, the nonlinear speed control system for the generator (and turbine), and the non-minimum phase DC-link voltage control system are discussed in detail; based on a brief derivation of the underlying machine-side and grid-side current control systems. With the help of the power balance of the wind turbine, the operation management and the control of the power flow are explained. Concluding simulation results illustrate the overall system behavior of a controlled wind turbine with a permanent-magnet synchronous generator.

研究动机与目标

• 开发一个统一的现代风力涡轮机系统动态模型，集成机械、电气及电力电子部件。
• 设计分层控制架构，确保最大功率提取与稳定的电网连接。
• 在公共耦合点（PCC）实现有功与无功功率的精确控制，以支持电网。
• 分析在不同风况及扰动下系统的稳定性与性能。
• 通过详细仿真验证控制策略在暂态与稳态运行下的有效性。

提出的方法

• 基于Betz极限与功率系数近似模型，确定最大理论功率提取能力。
• 采用空间矢量调制与背靠背换流器建模，实现电网侧与电机侧电压及电流的精确控制。
• 实施电网电压定向控制（GVC），结合锁相环（PLL）实现同步与有功/无功功率的解耦控制。
• 在电机侧采用磁链定向控制（FOC），通过定子q轴电流实现直接转矩控制，提升转矩生成效率。
• 设计非线性与线性化控制器，用于发电机转速与直流环节电压控制，确保系统稳定与参考值跟踪。
• 在运行模式II中引入前馈控制，以提升能量捕获效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在风速变化条件下，如何实现风力涡轮机的最大功率提取，同时保持与电网的兼容性？
• RQ2 何种控制策略可确保在扰动存在下直流环节电压稳定与可靠功率流动？
• RQ3 基于矢量的控制技术（GVC与FOC）如何提升动态响应性能并实现有功与无功功率的解耦？
• RQ4 系统惯性与控制带宽对最优运行与能量产出有何影响？
• RQ5 前馈控制的集成如何提升部分负载运行下的系统性能？

主要发现

• 当叶尖速比λ接近其最优值λ⋆时，涡轮机功率紧密跟随参考值，功率系数cp,1保持在接近其最大值cp,1(λ⋆)。
• 电机转矩与定子q轴电流几乎瞬时跟踪其参考值，证实了快速转矩生成（假设A.13得到验证）。
• 在PCC处的无功功率以极小延迟跟踪其参考值，得益于滤波器q轴电流分量的快速控制。
• 在无功功率切换过程中，直流环节电压保持在5,400 V，仅出现±0.2%的偏差，表明控制性能稳健。
• 由于滤波器电流d分量的快速调整，有功功率的突变现象明显可见，与功率平衡方程一致。
• 系统在所有运行模式下均表现出稳定行为，超调量极小，且在扰动后能快速恢复。