目录

前言

第1章绪论1

1.1双馈式风力发电系统2

1.2直驱式永磁同步风力发电系统5

1.3光伏发电技术的研究现状7

1.4储能技术及其在可再生能源发电中的应用10

1.5可再生能源发电系统的故障穿越技术17

1.5.1风电机组LVRT标准的要求17

1.5.2风力发电LVRT的实现方法18

1.5.3光伏电站LVRT标准的要求19

1.5.4光伏电站LVRT的实现方法20

第2章双馈式异步风力发电机数学模型21

2.1双馈式电机的数学模型22

2.1.1功率不变约束条件下的坐标变换22

2.1.2绕组匝数不变约束条件下的坐标变换28

2.1.3三相静止坐标系下双馈式电机的多变量数学模型29

2.1.4两相同步旋转坐标系下双馈式电机动态数学模型(Kron方程)38

2.2双馈式电机的标幺值方程43

2.3电网电压不平衡时双馈式电机和网侧变换器的动态数学模型46

2.3.1电网电压不平衡时双馈式电机的动态数学模型46

2.3.2电网电压不平衡时双馈式电机网侧变换器的动态数学模型48

第3章双馈式风力发电系统并网运行与控制51

3.1转子侧变换器传统PI控制器设计51

3.1.1电流环PI调节器设计51

3.1.2转速环PI调节器设计53

3.2转子侧变换器内模控制器设计54

3.2.1IMC在电流环的应用54

3.2.2IMC在转速环的应用56

3.3转子侧变换器改进的准PR控制57

3.4网侧变换器的数学模型59

3.5网侧变换器电网电压定向矢量控制62

3.6网侧变换器虚拟电网磁链定向矢量控制64

3.6.1虚拟电网磁链的引入64

3.6.2d轴虚拟电网磁链定向下PWM整流器的数学模型65

3.6.3虚拟电网磁链观测器66

3.6.4d轴虚拟电网磁链定向PWM整流器矢量控制系统67

3.7网侧变换器准PR控制67

3.7.1PR控制器及其特性67

3.7.2网侧变换器的准PR矢量控制71

第4章双馈式风力发电系统仿真研究72

4.1基于MATLAB的双馈式风力发电系统仿真72

4.1.1转子侧变换器控制系统仿真模型72

4.1.2网侧变换器控制系统仿真模型72

4.1.3双馈式风电系统仿真模型74

4.1.42MW双馈式风力发电并网仿真分析75

4.2基于PSCAD的双馈式风力发电系统仿真77

4.2.1转子侧变换器控制系统仿真模型77

4.2.2网侧变换器控制系统仿真模型78

4.2.3风力机及变桨距仿真模型78

4.2.4基于PSCAD的双馈式风电系统仿真模型82

4.2.5MW级双馈式风力发电柔性并网仿真结果分析82

4.3基于RTDS的双馈式风电系统仿真研究84

4.3.1基于RTDS的双馈式风力发电系统建模84

4.3.2转子侧变换器仿真84

4.3.3网侧变换器仿真88

4.3.4基于RTDS的双馈式风电机组LVRT仿真92

第5章直驱式永磁同步风力发电机数学模型96

5.1同步电动机的分类96

5.2同步电机的基本方程97

5.2.1定子电路方程98

5.2.2转子电路方程101

5.3dq0坐标变换101

5.4同步电机的标幺值方程106

5.5永磁同步电机的数学模型113

第6章直驱式永磁风力发电系统并网运行与控制116

6.1直驱式风力发电系统并网方式概述116

6.2直驱式风力发电系统的几种全功率变换器拓扑结构116

6.2.1不可控整流器 PWM电压源型逆变器拓扑结构117

6.2.2背靠背双PWM电压型变换器拓扑结构117

6.2.3 二极管钳位型拓扑结构118

6.2.4级联H桥型拓扑结构119

6.2.5飞跨电容型拓扑结构120

6.3机侧PWM变换器及其控制121

6.3.1机侧PWM变换器的数学模型121

6.3.2机侧PWM变换器的运行控制及仿真分析123

6.4网侧PWM变换器及其控制128

6.4.1两电平PWM变换器的数学模型128

6.4.2三电平PWM变换器的数学模型132

6.4.3网侧PWM变换器的运行控制及仿真分析133

第7章永磁直驱式风力发电系统仿真建模研究137

7.1直驱式风力发电系统并网仿真137

7.1.1直驱式永磁同步发电系统在PSCAD/EMTDC中建模137

7.1.2风力机的模型137

7.1.3发电机侧控制器的建模138

7.1.4电网侧控制器建模138

7.1.5仿真结果分析141

7.2基于二极管中点钳位（NPC）型三电平变换器的永磁直驱式风电系统145

7.2.1三电平逆变器基本理论145

7.2.2三电平SVPWM的算法146

7.2.3三电平逆变器的MATLAB仿真152

7.2.4基于三电平变换器的永磁直驱式风电系统并网仿真156

7.3实现LVRT仿真分析163

7.3.1适用于直流环节的保护方案分析163

7.3.2直流侧增加储能的永磁直驱式风电系统164

7.3.3双向DC/DC变换器的控制策略165

7.3.4基于超级电容储能的直驱式风电机组LVRT仿真分析166

7.4基于复合储能的直驱式风电机组建模仿真170

7.4.1基于复合储能的直驱式风电系统仿真模型170

7.4.2基于复合储能的直驱式风电机组LVRT仿真分析170

7.4.3平滑风电出力仿真分析175

第8章面向风电系统的DVR基本原理与控制策略179

8.1风电系统中常见电网故障类型179

8.2电压幅值和相角检测方法180

8.2.1三相abcdq的派克变换检测算法181

8.2.2构造虚拟三相的dq检测法182

8.2.3单相求导法的αβdq变换182

8.3电压正负序分离方法184

8.3.1不平衡电网电压描述185

8.3.2常规典型正负序分离方法187

8.3.3基于谐振控制器的正负序分离方法189

8.4DFIGDVR系统拓扑及工作原理192

8.5DVR主电路系统结构194

8.5.1逆变单元195

8.5.2耦合单元195

8.5.3滤波单元196

8.5.4直流储能单元197

8.6DVR逆变单元控制策略197

8.6.1DVR等效数学模型198

8.6.2PR控制器及特性分析199

8.6.3基于准PR控制器的复合控制策略203

8.6.4复合控制策略性能分析205

第9章储能型DVR提升风电/光伏LVRT能力208

9.1DVR提升双馈式风电机组故障穿越仿真研究208

9.1.1三相对称故障下DFIG机组LVRT仿真209

9.1.2三相不对称故障下DFIG机组LVRT仿真218

9.24种方式实现直驱式风电机组故障穿越仿真研究226

9.2.1采用卸荷电路实现直驱式风电机组LVRT运行229

9.2.2改进控制策略实现直驱式风电机组LVRT运行230

9.2.3新型混合储能实现直驱式风电机组LVRT运行231

9.2.4UDVR实现直驱式风电机组LVRT运行232

9.3DVR提升MW级光伏发电系统故障穿越仿真研究234

9.3.1PCC发生三相对称故障时PVG系统的LVRT仿真237

9.3.2PCC发生不对称故障时PVG系统的LVRT仿真240

第10章风电机组LVRT测试实例244

10.1LVRT技术研究的必要性244

10.2现有的LVRT技术246

10.2.1双馈式风力发电系统LVRT技术246

10.2.2直驱式风力发电系统LVRT技术249

10.3测试设备及程序251

10.3.1风电机组LVRT测试设备252

10.3.2风电机组LVRT测试程序253

10.4双馈式机组LVRT测试实例分析253

10.4.1电压跌落至75%Ue254

10.4.2电压跌落至50%Ue256

10.4.3电压跌落至20%Ue259

10.5直驱式机组LVRT测试实例分析262

10.5.1电压跌落至75%Ue262

10.5.2电压跌落至50%Ue265

10.5.3电压跌落至20%Ue267

第11章光伏电池数学建模与MPPT控制271

11.1光伏电池的工作原理271

11.2光伏电池的等效电路及数学模型271

11.3光伏电池输出特性的仿真分析274

11.4MPPT控制与仿真275

11.4.1MPPT控制276

11.4.2DC/DC变换器277

11.4.3PWM控制278

11.5MPPT仿真分析279

11.5.1标准工况下光伏阵列仿真分析279

11.5.2光照强度变化时光伏阵列仿真分析280

11.5.3温度变化时光伏阵列仿真分析281

第12章储能系统与能量管理策略283

12.1储能PCS简介283

12.2蓄电池285

12.2.1蓄电池的充放电特性285

12.2.2蓄电池的数学模型286

12.3超级电容器288

12.4全钒液流电池288

12.5双向DC/DC变换器建模与仿真291

12.5.1三重化双向DC/DC变换器的数学模型291

12.5.2三重化双向DC/DC变换器的控制策略294

第13章风光储发电系统建模与仿真296

13.1风光储发电系统简介296

13.2风力发电和光伏发电的随机性及波动性分析297

13.3风力发电和光伏发电的功率数据问题与处理299

13.4风光储系统中的储能容量配置方法304

13.4.1单一储能类型系统控制与配置305

13.4.2混合储能系统308

13.5光伏逆变器的建模与仿真315

13.5.1单台光伏逆变器的建模与控制315

13.5.2多台光伏逆变器并联运行与环流分析318

13.6光伏发电系统LVRT运行326

13.6.1电网故障时Crowbar电路的保护策略327

13.6.2Crowbar电路的控制策略329

13.6.3基于Crowbar电路的LVRT仿真329

参考文献3332100433B

本书针对全球主流并网型双馈式和直驱式风力发电系统、光伏发电系统以及储能技术在可再生能源领域的应用展开研究。全书共13章，对风力发电系统的工作原理、数学模型、仿真建模、运行与控制、低电压穿越（LVRT）仿真与测试、混合储能平滑风电出力、新型动态电压恢复器提升风电LVRT能力，以及光伏电池的数学模型、储能系统的能量管理、动态电压恢复器提升光伏LVRT能力、风光储一体化仿真建模等关键问题进行了深入细致的研究与探讨，相关结论具有重要的理论意义与工程指导价值。本书集理论性、系统性、工程性、新颖性于一体，内容翔实、理论研究紧扣工程实践，可为风力发电和光伏发电工程实践提供一定的理论基础和技术依据。

本书可用作高等院校新能源发电专业的本科生教材和相关专业研究生科研参考书，也可供从事可再生能源发电的研发人员及工程技术人员参考。

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