非理想运行条件下双馈风电机转矩脉动抑制技术研究进展

非理想运行条件下双馈风电机转矩脉动抑制技术研究进展

随着社会经济的不断发展，人们对于能源的需求日益增长，而传统化石能源正面临枯竭的风险，急需开发替代能源来缓解能源困境。二十大报告中也提出积极稳妥推进“碳达峰、碳中和”，加快规划建设新型能源体系。在这样的时代背景下，风电行业迎来了历史性发展机遇，风电将发挥主力军的作用，在未来能源系统中扮演至关重要的角色。

发电机及其控制系统作为风电系统的核心部分，影响着整个发电系统的运行性能。在各类风力发电机中，双馈感应发电机因其造价低廉、变流器容量小、控制灵活等优势，长期占据主流地位。然而，随着碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体材料的发展，电力电子设备高密度应用于风力发电系统，对系统造成了严重的谐波污染，使得系统处于非正弦运行状态。

此外，电网远端故障或三相负载不平衡时有发生，使得系统处于不平衡运行状态。非正弦和不平衡等非理想运行条件会使电机产生显著的转矩脉动，对齿轮箱和传动轴产生极大的危害，大大降低系统运行的可靠性。因此，研究非理想运行条件下的转矩脉动抑制方法对于降低风力发电系统故障发生率，保证系统安全可靠运行至关重要。

近些年，国内外许多学者针对非理想运行条件下的双馈感应发电机转矩脉动问题提出了若干解决方案。这些方案的出发点和手段各不相同，亟需进行归类总结，以便相关领域学者快速了解此类技术研究现状和发展态势，推动双馈感应发电机转矩脉动抑制技术的进一步发展。

本文从抑制效果、控制复杂度、参数依赖性、系统成本、目标拓展性、实施难度以及适用范围这七个维度，对现有非理想运行条件下双馈感应发电机各类转矩脉动抑制方法进行全面对比分析，结果如表1所示。

其中，硬件结构改进法无需复杂的控制算法，但系统成本较高，实施难度相对较大。转矩闭环控制法可对转矩脉动起到较好的抑制作用，但其目标拓展性较低，在多目标控制目标系统中不便实施。转矩开环控制法的目标拓展性较高，实际应用时只需根据控制目标修改电压或电流参考值，但其参数依赖性问题较为严重。

非理想分量消除法的分析和设计相对简单，但是无法完全消除电压和电流中的非理想分量，因此其转矩脉动抑制效果并不显著。多目标预测控制法可方便实现多目标协同优化，但尚无通用的控制目标权重因子确定原则。上述各类转矩脉动抑制方法的原理如图1~10所示。

非理想运行条件下双馈感应发电机转矩脉动抑制技术还可从以下方面进一步探索：1）软硬件协同的转矩脉动抑制；2）强鲁棒转矩脉动抑制；3）谐波损耗和转矩脉动综合治理；4）故障状态下的转矩脉动抑制。

1）现有非理想运行条件下双馈感应发电机转矩脉动抑制方法可分为两大类，分别为硬件结构改进法和控制策略改进法。其中，硬件结构改进法需额外增加电气装置甚至需要改变电机结构，更适用于系统设计阶段。对于已完成设计加工的系统而言，一般采用控制策略改进法，但在实施时也需要注意控制算法的复杂度，以免影响控制精度。

2）未来，双馈感应发电机发电系统应采用硬件结构改进法和控制策略改进法相结合的协同抑制方法。并且，控制策略改进法还应结合参数辨识以及谐波损耗抑制，充分提高控制系统的参数鲁棒性和效率。此外，还应进一步探索双馈感应发电机系统故障状态下的转矩脉动抑制方法，提高系统的故障穿越能力。

本工作成果发表在2024年第15期《电工技术学报》，论文标题为“非理想运行条件下双馈感应发电机转矩脉动抑制方法综述“。本课题得到广东省基础与应用基础研究基金项目、国家自然科学基金面上项目、深圳市国际合作项目、中央高校基本科研业务费专项资金项目和山东省优秀青年基金项目的支持。