复杂工况下双馈风力发电系统运行稳定分析与协同控制

在风电机组单机容量不断增大、装机总量持续攀升的现有形势下，风力发电系统面临着电网故障穿越运行等日益复杂的运行工况，对电气性能和机械部件均提出了严峻挑战，控制系统需要在调节电气性能的同时兼顾振动抑制、载荷削弱等运行稳定问题。本课题从双馈风力发电运行稳定控制角度出发，在分析风速波动等正常工况下系统运行稳定行为特性的基础上，揭示电网故障特别是不对称故障对系统运行稳定的影响机制；基于预测控制理论设计控制系统，将转子电流输出限值、叶片桨距角调节速度与幅值、系统振动模态幅值转化为约束条件，基于规划方法确定转子电流控制信号和叶片桨距角控制信号，实现系统电气性能与运行稳定的协同控制，在优化双馈风力发电系统整体运行效能的同时，提升其对电网故障等复杂工况的承受与适应能力，为大型风力发电系统设计与运行控制技术的进一步完善提供新的思路。

针对复杂工况下双馈风力发电系统的运行稳定控制需求，建立了涵盖定子磁链变化等电磁过程及发电机、功率变换器、叶片、塔身、传动链等组件的系统模型，该模型囊括传动链振动、塔身弯曲与抖振、叶片振颤与剪切等运行模态。针对所建模型开展了可信度评估，分别从模型接口、机械气动分析、电磁特性分析等方面评估了所建模型的正确性及其分析结果的可信度。基于该模型，在分析正常工况下双馈风力发电系统运行稳定特性的基础上，研究了电网单相故障、相间故障及三相故障等引起的电网电压对称跌落、电网电压不对称等工况对系统运行特性的影响，分析了电磁暂态冲击对系统机械载荷的作用机制，阐明了对称及不对称故障等工况下双馈风力发电系统运行稳定暂态响应特性的差异及其诱发原因。在此基础上，将预测控制引入双馈风力发电系统控制体系，提出了基于价值函数最小化的协同预测控制策略，将系统运行稳定控制问题转化为复杂约束条件下价值函数最小化问题。根据风力发电系统控制量参考轨迹及功率传输特性，采用扇区甄别策略筛选有效作用矢量，基于权值因子构建价值函数，将系统运行稳定控制需求纳入约束条件，以价值函数最小为评价标准得出双馈风力发电系统控制信号，有效保证了双馈风力发电系统的实时最优运行。在上述研究基础上，提出了基于最优时间序列的预测控制策略，在继承预测控制在线自动寻优、能够兼顾约束条件、动态响应快等显著优势的基础上，有效避免了锁相误判诱发的电流波动，显著提升了系统的稳态运行特性。本项目取得的研究成果有利于提升双馈风力发电系统在复杂工况下的整体运行效能，为大型风力发电机组分析、设计与控制技术的进一步完善提供了新的思路。结合本项目研究，课题组在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Power Electronics、IEEE Transactions on Energy Conversion等发表学术论文12篇，其中SCI收录8篇、EI收录12篇；申请发明专利4项，其中2项已授权。