中压三电平永磁全功率风电变流器多目标优化及双模式并网控制研究

With the unit capacity increase of the wind turbines, the medium-voltage full-power wind power generation techniques based on permanent magnet synchronous generators (PMSGs) receive more attentions. Firstly, the three-level converter is often utilized in the medium-voltage full-power PMSG wind turbines. The conventional control strategy of three-level converter is hardly to achieve the multi-objective optimization control, including the current control, the neutral point balance control, the suppression of common mode voltage and the minimum switching losses. Secondly, when wind turbines are operating in the weak grid, the stability of the conventional current source grid-connected control method is heavily affected by the variation of the grid impedance. This project research on the multi-objective optimization and the adaptive grid impedance based on current source-voltage source dual mode grid-connected control of the medium-voltage three-level full-power PMSG wind power converters. The main studies include: the model predictive control techniques based on the over-sampling and parameter on-line correction algorithms, to achieve the multi-objective optimization control of the medium-voltage three-level full-power PMSG wind power converters; the speed sensorless model predictive robust control strategies of PMSGs, to improve the control performance of the generator-side converter; the grid impedance identification methods when wind turbines are connected to a weak grid and dual mode grid-connected adaptive control methods of wind power converters based on grid impedance identification, to improve the stability of the wind power system and improve the efficiencies of wind-energy conversion.

随着风电机组单机容量的增加，中压永磁全功率风力发电技术倍受关注。首先，在中压永磁全功率风电机组中，其变流器常采用三电平拓扑，常规控制策略难以实现中压三电平风电变流器电流控制、中点电位平衡、共模电压抑制和最低开关损耗等多目标优化控制；其次，当风电机组联入末端弱电网运行时，其并网点阻抗的变化，使得采用常规电流源并网模式的风电变流器并网稳定性受到严重影响。本课题拟开展中压三电平永磁全功率风电变流器多目标优化及基于并网点阻抗自适应的电流源和电压源双模式并网控制研究。主要研究包括：研究基于过采样和参数在线校正的模型预测控制算法，实现中压三电平永磁全功率风电变流器的多目标优化控制；研究永磁同步发电机无速度传感器模型预测鲁棒控制策略，提高其机侧变流器的控制性能；研究风电机组联入弱网时并网点阻抗的辨识方法及基于并网点阻抗自适应的风电变流器双模式并网控制，在提高风电机组并网稳定性的同时提高风能利用率。

中压三电平变流器的MPC策略，以及弱电网下风电变流器的电压源控制等问题近年来得到了学界的关注，并逐渐成为研究热点。然而，这方面研究还处在探索阶段，特别是针对中压三电平永磁全功率风电变流器的MPC策略，以及弱网下基于并网点阻抗自适应的风电变流器双模式并网控制策略研究还鲜有报道。. 本项目主要研究内容包括：1）基于MPC的中压三电平变流器多目标优化控制策略研究；2）基于无速度传感器的PMSG高性能转矩控制研究；3）全功率风电机组的双模式并网控制策略研究；4）实验室模拟方案研究。. 本项目组以中压三电平永磁全功率风电变流器为研究对象进行了深入研究，提出基于参数在线校正的中压三电平永磁全功率风电变流器无权重因子MPC策略，在提高MPC策略控制性能的同时，实现三电平风电变流器多目标优化控制。提出低开关频率及低载波比下无速度传感器PMSG的无权重因子MP-DTC策略，提高了PMSG转矩控制精度和大负载扰动时PMSG控制系统的稳定性。建立了风电变流器的小信号模型，分析得出弱网下并网的稳定性机理，提出了基于并网点阻抗自适应的双模式并网控制及其无扰动切换策略，解决了弱电网情况下单一电流源模式或电压源模式只能稳定运行在较小范围电网阻抗的问题，为实现高渗透率分布式发电单元的可靠稳定运行提供新思路和新方法，为改善并网稳定性和促进新能源风电并网变流器的大规模并网运行等方面提供研究基础。