永磁同步

针对内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor, IPMSM)由于内部参数变化、外部扰动等各种不确定性因素导致控制性能不佳的问题，提出一种无模型超螺旋快速终端滑模控制方法。首先，建立考虑IPMSM不确定性的新型超局部模型，结合超螺旋算法和快速终端切换函数设计无模型超螺旋快速终端滑模控制器，确保系统状态有限时间收敛，并有效减小抖振。其次，设计扩展滑模扰动观测器精准估计超局部模型中的未知部分，并前馈补偿给设计的控制器，进一步提升系统的抗干扰能力和跟踪性能。最后，通过与PI控制和传统无模型滑模控制进行仿真实验对比，验证了该方法具有更快的收敛速度和更强的鲁棒性。

在“双碳”背景下，风电作为零碳电力和新能源发电的主力军，在助力社会全面绿色低碳转型方面发挥了关键性作用。在保证发电稳定的前提下实现风能的最大化利用，提升风力发电系统发电量至为重要。文中针对永磁同步风力发电系统的最大功率跟踪（maximum power point tracking，MPPT）问题进行研究。首先建立了永磁同步风力发电系统的机理仿真模型，用两电平双PWM全功率换流器连接风力发电机与电网。然后基于以上模型，分别设计了整数阶PI控制器、分数阶PIλ控制器、模糊分数阶PIλ控制器以实现MPPT控制。最后对以上控制策略进行了仿真研究。结果表明，无论在阶跃风速还是随机风速下，模糊分数阶PIλ控制器相较于其他两种均具有更出色的MPPT性能与更强的鲁棒性。

在“双碳”背景下，风电作为零碳电力和新能源发电的主力军，在助力社会全面绿色低碳转型方面发挥了关键性作用。在保证发电稳定的前提下实现风能的最大化利用，提升风力发电系统发电量至为重要。文中针对永磁同步风力发电系统的最大功率跟踪（maximum power point tracking，MPPT）问题进行研究。首先建立了永磁同步风力发电系统的机理仿真模型，用两电平双PWM全功率换流器连接风力发电机与电网。然后基于以上模型，分别设计了整数阶PI控制器、分数阶PIλ控制器、模糊分数阶PIλ控制器以实现MPPT控制。最后对以上控制策略进行了仿真研究。结果表明，无论在阶跃风速还是随机风速下，模糊分数阶PIλ控制器相较于其他两种均具有更出色的MPPT性能与更强的鲁棒性。

研究了直驱风电场次同步振荡分析的降阶模型，提出了基于交替方向隐式(alternating direction implicit，ADI)的平衡截断方法。首先，根据直驱式永磁同步风电机组的数学表征搭建风电场的数学模型，采用ADI方法迭代求解李亚普诺夫方程，得到可控的格莱姆矩阵与可观的格莱姆矩阵；然后，采用平衡截断的方法得到降阶模型；通过对比全阶模型与降阶模型的时域仿真波形、Bode图、计算耗时以及次同步振荡模式，验证了方法的有效性。仿真结果表明，降阶模型与全阶模型具有很好的一致性，同时计算速度提高，降阶阶数大大降低。

研究了直驱风电场次同步振荡分析的降阶模型，提出了基于交替方向隐式(alternating direction implicit，ADI)的平衡截断方法。首先，根据直驱式永磁同步风电机组的数学表征搭建风电场的数学模型，采用ADI方法迭代求解李亚普诺夫方程，得到可控的格莱姆矩阵与可观的格莱姆矩阵；然后，采用平衡截断的方法得到降阶模型；通过对比全阶模型与降阶模型的时域仿真波形、Bode图、计算耗时以及次同步振荡模式，验证了方法的有效性。仿真结果表明，降阶模型与全阶模型具有很好的一致性，同时计算速度提高，降阶阶数大大降低。

针对永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor, PMSM)参数变化影响转子位置估计精度问题，提出了一种基于单位电流最优功率输出的位置估计误差非线性补偿策略。首先，分析了电机参数误差特别是电感误差对位置估计精度的影响，建立了位置估计误差与单位电流输出功率的关联模型，推导出电感误差与最优输出功率的关系模型。然后，结合功率模型构建了基于多项式的电感误差非线性模型，利用少量测试点拟合该多项式模型，即可辨识电感误差用于准确补偿位置估计误差。所提方法实现简单，不依赖电机参数，能有效克服噪声干扰。最后，仿真与实验结果验证了提出补偿策略的有效性。

随着可再生能源渗透率的不断提升，区域电网惯性逐步降低，暂态支撑能力严重不足，给电网带来了一系列安全问题。文中提出一种储能与开绕组永磁同步发电机(open-winding permanent magnet synchronous generator，OW-PMSG)级联供电的新型分布式并网发电拓扑，在保证可再生能源消纳的前提下，重新利用原有柴油机，为电网提供功率后备以及惯量支撑。通过对OW-PMSG进行建模以及系统功率流矢量分析,设计基于源网相位差闭环控制的功率传输策略，实现发电机的稳定同步运行。基于该策略，拓扑中的储能变流器可具备同步发电机特性，实现了电网惯性和暂态支撑能力的进一步提升。仿真结果验证了所提控制策略的有效性。

针对永磁同步电机传统模型预测转矩控制策略存在脉动大、抗干扰能力差、权重因子需要反复调试等缺点，提出了一种基于自抗扰控制器的改进型鲁棒模型预测转矩控制策略。首先，通过设计转速环自抗扰控制器，并引入一种连续且平滑的新型fal函数，进一步提高了自抗扰控制的控制性能。然后，设计了一种无权重系数的价值函数，优化系统控制性能的同时简化了设计过程，解决了权重因子调试的问题。最后，采用两步预测降低延时对控制系统的影响，提高了控制精度。仿真和实验结果表明，提出的改进型鲁棒模型预测转矩控制策略有效降低了系统脉动，提高了系统的控制性能和参数鲁棒性。

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)具有结构简单、运行稳定、效率高和外形多样等显著优点，在生产制造领域得到广泛应用。PMSM在工作中不断受到速度变化和负载波动等复杂工况的影响，不可避免地会出现各种故障，如轴承故障、偏心故障、退磁故障和匝间短路故障等。文中综述了PMSM常见故障类型，并总结了自动化领域中基于信号的状态监测方法的现有研究，以用于各类电气和机械故障的检测和诊断。随后，对诊断方法进行了总结，并分析了其优势与限制，探讨了不同信号处理方法在应用中的利弊。最后，根据当前研究现状，讨论了PMSM故障监测与诊断存在的问题和未来发展方向。

风力发电机组变桨距控制系统（简称变桨系统）是实现风力发电机组控制和保护的重要装置，是风机停机的主刹车系统。目前风电机组叶片不断增长，机组容量大型化以及海上风电的发展，华电天仁公司原有基于低压交流伺服和异步电机技术的变桨系统方案已不适应市场需求。在坚持原方案安全性能高等优点的基础上我们研制出基于一体化控制器和永磁同步电机技术的变桨系统，并且在行业内最先实现产业化，目前本方案已成为市场主流。另外，在产业化过程中已逐步实现了核心部件如一体化控制器，永磁同步电机、超级电容的国产化和自主化，系统成本进一步优化，已形成了稳定可靠的供应链。 本项目目前获得授权发明专利5个，申请发明专利20个；获得授权实用新型专利21个，申请实用新型专利8个。在经济指标上，本项目致力于降低机组度电成本，助力国内风电产业发展。风电作为能源转型的主力军，降低其全生命周期度电成本是决定风电能否健康持续发展的重点。根据国家规划，2020年要实现风火同价，这是风电产业的机遇和挑战。应用本技术方案不仅在建设阶段大幅降低变桨系统造价超过10%，而且运行维护阶段凭借优质的服务体系能大幅压缩机组因变桨系统引发的故障次数和停机时间，保证机组更好的可利用小时数。正是因为受到华电天仁带动的变桨技术路线国产化自主化，全球最大的电动变桨系统供应商MOOG已于2018年宣布退出中国市场；全球第一台电动变桨系统的生产企业SSB被迫改变市场策略，由变桨系统供应商转为变桨关键部件提供商。