双端开绕组永磁风力发电系统功率变换与协同控制

Wind industry today is becoming one of the world's fastest growing energy sectors, helping to satisfy global energy demands and offering the best opportunity to unlock a new era of environmental protection. As policy makers become more aware of this reality, most countries around the world have begun pushing hard on its development. With the increase of wind power capacity and the rapid development of wind industry, the stability and reliability of wind turbines should be paid special attention to. The improvement of wind turbine performances is crucial to the further development of wind industry. With the aim of improve the stability and reliability of large wind turbines, a dual-open-winding structure will be studied, and its control strategies will be further developed. The phase isolation characteristics of this structure will benefit the dynamic and steady-state performances of wind turbines. Firstly, a predictive model will be developed based on converter switching states, taking advantage of the inherent discrete nature of power converters. The operating characteristics of wind turbines will be analyzed. Reference trajectories of the electromagnetic torque and the output current will then be determined. Furthermore, system constraints will be studied based on control requirements. In order to track reference trajectories, a cost function is to be constructed. With the aim of power conversion and reliability improvement, the predictive control strategy will finally be developed, on the basis of reference trajectories, control constraints and the cost function. Its effectiveness will be evaluated and analyzed.

在风电产业规模化发展、机组单机容量不断增大的现有形势下，风力发电系统需要在实时传输功率、安全穿越电网故障的同时，提升机组的稳定与可靠运行能力，对机组设计、运行与控制提出了严峻挑战。在该领域开展深入探索，突破绕组相间电耦合对风电机组稳定运行的制约，具有重要理论意义和工程实用价值。本项目以提升复杂工况下机组稳定与可靠运行能力为目标，围绕双端开绕组永磁风力发电系统及其功率变换技术开展深入研究，充分发挥开绕组结构在相间电气隔离与独立控制特性方面的显著优势。基于系统离散预测模型，研究发电机转矩及网侧输出电流参考轨迹的规划方法。结合系统稳定运行安全约束条件以及参考轨迹的跟踪需求，建立预测控制价值函数，将双端开绕组永磁风力发电系统的稳定与可靠运行问题转化为复杂约束条件下价值函数最小化问题。在此基础上，构建双端开绕组永磁风力发电系统预测控制体系，实现功率变换与可靠运行协同控制。

本项目以提升周期及非周期性内部扰动、机组故障等复杂工况下风力发电系统的稳定与可靠运行能力为目标，围绕双端开绕组永磁风力发电系统及其功率变换技术开展了深入研究。建立了风力发电机及功率变换器数学模型，重点分析了开绕组永磁风力发电系统的相间隔离特性及零阶保持离散化控制特性。针对各相绕组隔离条件下的三相六线制结构，基于共模回路外特性，研究了共模电压及共模电流的产生机理和激励模式，分析了共模电压及共模电流对系统功率传输和转矩控制的影响。分析了发电机产生故障后，系统由对称状态变为非对称状态时的控制特性及控制策略的失效机理。以此为基础，提出了基于有限状态和虚拟矢量的开绕组永磁风力发电机预测控制策略，将开绕组永磁风力发电系统的稳定与可靠运行问题转化为复杂约束条件下价值函数最小化问题。此外，针对扰动抑制工况下风力发电系统网侧电流的动态调节过程中的振荡现象，将模型预测引入到谐振控制中，提出了并网变流器预测谐振控制方法与双环抗扰策略，实现了动态跟踪与扰动抑制的解耦。同时，提出了开绕组永磁风力发电机定子电流预测谐振控制策略，在保证风力发电系统定子电流跟踪性能的同时，有效抑制参数失配引入的非周期性扰动以及逆变器死区效应、转子磁链分布非正弦等引入的周期性扰动对控制性能的影响。围绕风力发电系统需要在故障下实现持续稳定运行的控制要求，基于开绕组结构相间独立控制的特点，提出了断相故障下风力发电系统的预测容错控制策略，在实现功率传输与转矩控制等控制目标的同时保证了系统的可靠运行。在此基础上，构建了开绕组永磁风力发电系统实验平台，并开展了相应的实验验证工作。本项目的研究为风力发电技术的发展与完善提供了新的思路，相关研究成果在大型风力发电系统设计、运行控制及确保风电系统安全运行方面具有重要参考价值。