双三相永磁风力发电机双边对称式功率变换与预测控制

Reliability Improvement and enhanced high-quality operation capability of wind turbines under self- and grid-failure is in urgent need recently. The exploration of high-reliability operation and control method for wind turbines are imperative. In this project, the single-natural-point dual-three-phase permanent magnet generator is to be introduced to wind turbine system. The redundancy feature of single-natural-point dual-three-phase structure at the generator side and the independent power supply characteristic of open-winding connection at the grid side will both be fully utilized to obtain enhanced steady-state and transient performances. The discrete-time system model will be formulated based on zero-order-hold characteristics. The symmetrical power transformation as well as current regulation method at both generator and grid sides will be studied in detail. The predictive control system for the dual-three-phase permanent magnet generator will then be developed. Improvement in reliability and enhanced transient performances under faults are both to be expected. The project will provide new ideas for the high-end development of the wind power equipment.

提升风力发电机组可靠性，增强机组在发电机或变流器出现开路、短路等自身故障以及外部电网故障下的高品质运行能力，已成为风力发电机组高端化发展亟需突破的瓶颈。根据风力发电机组的结构特点与控制特性，探索高可靠性运行与控制方法势在必行。本项目拟围绕单中性点型双三相永磁风力发电机及其双边对称式功率变换策略开展深入研究与探索，充分发挥单中性点型双三相结构的相冗余特性，结合绕组开放式联接结构的相间独立供电特点，突破传统结构对系统可靠运行的制约。构建基于零阶保持特性的系统离散模型，研究双边对称式功率变换特性，建立双三相永磁风力发电机预测控制体系，实现风力发电机组在外部电网故障下的平稳功率输出，同时提升机组在自身故障下的稳健运行与带载能力。相关研究成果将为风电装备的高端化发展提供新的思路。

本项目以提升风力发电机组复杂工况下的持续带载与可靠运行能力为主要目标，围绕双三相永磁风力发电系统及其功率变换技术开展了深入研究。首先，建立了双三相永磁风力发电机在自然坐标系和矢量解耦坐标系下的数学模型，重点分析了变流器参数不对称、死区效应等非理想因素作用下系统运行特性。为提升风力发电系统在工况发生变化时的自适应性，提出了基于扩展控制集的永磁电机预测磁链控制方法，将转矩与磁链的分别控制统归于对定子磁链矢量的调控，实现整个采样周期内的定子磁链矢量平均波动最小化。为实现双三相永磁风力发电机高品质运行性能，考虑电流采样误差等非理想因素，分别在电流环和速度环设计了周期性扰动抑制策略，其中谐波子平面通过将矢量比例积分控制器和陷波滤波器串联以减小谐波电流。同时，为解决扰动抑制工况下风力发电机动态调节过程中的振荡现象，设计了双环预测控制结构，将参考给定跟踪和周期性扰动抑制回路解耦，突破了传统控制结构在控制自由度上的瓶颈及其对系统可靠运行的制约，大幅提升系统动态响应性能。此外，为实现低开关频率下双三相永磁发电机的有效控制，基于离散数学模型设计了基波子平面和谐波子平面的离散电流控制器，并给出了参数整定的详细过程。围绕双三相风力发电机需要在自身故障工况下持续稳定运行的控制需求，提出了断相故障下无需控制重构的自然容错控制策略，避免了故障检测延迟造成的暂态性能恶化，实现故障前后功率平稳输出。在此基础上，搭建了双三相永磁风力发电系统功率变换与协同控制实验研究平台，对以上控制策略的稳态暂态运行性能进行验证和分析。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、运行控制及提升风力发电系统可靠性方面具有重要参考价值。