多相直驱永磁风力发电变流一体化系统关键基础问题研究

High voltage and high power is the development direction of wind power system. The traditional low-voltage and high-current two-level converter has become the bottleneck of wind power generation system. In combination with the multi-phase permanent magnet generator and the modular multilevel converter (MMC) can get the following advantages like high reliability, smooth output waveform, device voltage stress balance etc. The project studying basic theory and research word of multiphase direct-drive PM wind power generation system based on MMC converter. In details as follow: 1. A novel multiphase direct-drive PM wind power generation system based on MMC is proposed in this project. The working principle and mathematical model are analysed. 2. Researches on PM wind power system's operating characteristic under MMC control and the mechanism of its influence on internal electromagnetic field, meanwhile, establishing a precise systematic design model based on this mechanism, then multivariable design problems which means high-dimensioned and strong coupling between motor parameters and MMC will be solved. 3.Optimal energy control strategy which adapt to MMC direct-drive PM wind power generation system and voltage stability control strategy of MMC subsystem when PM generator running under low frequency state will be studied indepth. establishing static and dynamic mathematical model of MMC direct-drive PM wind power system under some faults and putting forward corresponding control strategy to ensure system in stable, reliable and grid connection friendly. The project has profund scientific and industrial meaning for development and application of wind power generation system.

高压大功率是风电系统的发展方向，传统低压大电流两电平集中式变流系统已成为风电系统发展的瓶颈。多相永磁风机相数多、定子电流小，通过MMC变流器汇流后可直接高压并网，具有可靠性高、输出波形平滑、器件应力均衡等优势，能有效解决高压大功率风电系统的安全可靠运行问题。项目研究基于MMC变流的多相直驱永磁风力发电一体化系统基础理论、设计与控制方法。1、提出一种基于MMC变流的多相直驱永磁风力发电一体化系统拓扑结构，研究其工作原理和数学模型；2、研究基于MMC变流的多相直驱永磁风力发电一体化系统的运行特性，建立精确的系统化设计模型，解决电机参数与多套PWM整流器和MMC高维强耦合多变量优化匹配设计关键问题；3、提出基于MMC变流的多相直驱永磁风力发电一体化系统高效能量转换控制策略和故障下该系统的穿越控制策略，提高系统在故障下的运行能力。项目的实施对风电的深入发展和电网安全运行具有重要的科学和工程意义。

高压大功率是风电系统的发展方向，传统低压大电流两电平集中式变流系统已成为风电系统发展的瓶颈。因此亟需开展针对高压大功率风电系统的发电及变流技术研究。项目以多相永磁风机和MMC变流器为基础，从拓扑结构、大型多相永磁发电机设计、一体化变流控制、故障容错运行四个层面，对基于MMC变流的多相直驱永磁风力发电一体化系统基础理论、设计与控制方法进行了较为全面和深入的研究。.1、发明了一种新型模块化多三相（N*3相）永磁风力发电机及其变流系统拓扑结构，建立了新型N*3相永磁同步风力发电-变流系统一体化数学模型，揭示了风力机在变流器及其控制策略综合约束条件下模块单元间的磁场分布、极槽配合、绕组分布规律，支撑研制出系列化高可靠性模块化永磁同步风力发电机，获得2022年教育部科技进步一等奖(已通过评审，待颁奖)。.2、项目对模块化永磁电机的极槽配合、定子铁心外径、功率和转矩计算等电机设计方法进行了研究，提出了以电机单元的形式来设计模块化多三相电机的方法，在考虑绕组温升的前提下完成整个模块化多三相永磁电机的设计，并对发电机的效率进行了优化，有效提高多相直驱永磁风力发电变流一体化系统全转速综合效率，作为主要创新获得2019年国家技术发明二等奖。.3、针对多相直驱永磁风力发电系统高效并网运行问题，提出了多相直驱永磁风力发电系统的多类型PWM调制技术、鲁棒模型预测控制技术、电容电压纹波抑制技术，解决了多相直驱永磁风力发电系统高动态响应、高鲁棒并网运行的难题，相关技术成功应用于多个风电场，作为主要技术创新获得2020年中国发明协会发明创新一等奖。.4、提出了基于故障甄别的多层次容错控制方法，根据发电系统异常运行数据特征，自适应采取模块切除、旁路、串并联等容错运行措施，实现了多相直驱永磁风力发电变流一体化系统在参数失配、开路、短路、电网故障等故障下的不间断稳定运行，部分成果作为主要创新获得2022年教育部科技进步一等奖（已通过评审，待颁奖）。.在项目执行期间发表SCI／EI论文30篇，获得国家技术发明二等奖、教育部科技进步一等奖等4项奖励，获得与申请发明专利22项，培养青年教师6名、博士后6名、毕业博士6名，毕业硕士12名。与中车株洲电机等产学研合作，成功研制出系列化高可靠性多相永磁风力发电机组，相关技术广泛应用于全国多个风电场，社会效益和经济效益显著。