前言

符号表

缩略语

第1章概述1

1.1简介1

1.2风力发电系统概述1

1.2.1装机容量和发展速度1

1.2.2各种容量的风力机2

1.2.3离网及并网应用3

1.2.4陆上及海上应用3

1.2.5风力发电系统的成本6

1.3风力机的技术8

1.3.1水平轴和垂直轴风力机8

1.3.2定速和变速风力机10

1.3.3失速型和变桨型风力机功率控制10

1.4风力发电系统结构11

1.4.1不带变流器的定速风力发电系统12

1.4.2基于部分功率变流器的变速风力发电系统13

1.4.3带全功率变流器的变速系统15

1.5并网导则17

1.5.1故障穿越要求18

1.5.2无功功率控制18

1.6小结19

参考文献19

第2章风力发电系统控制原理21

2.1简介21

2.2风力机21

2.2.1叶片22

2.2.2变桨距机构24

2.2.3齿轮箱25

2.2.4风轮机械制动器27

2.2.5发电机27

2.2.6偏航控制系统28

2.2.7塔架和基础30

2.2.8风向风速传感器（风速计）31

2.3风力机空气动力学32

2.3.1风力机的功率特性32

2.3.2气动功率控制：被动失速、主动失速和变桨距控制技术33

2.3.3叶尖速度比36

2.4最大功率点跟踪（MPPT）控制37

2.4.1基于风力机功率曲线的最大功率点跟踪控制38

2.4.2基于最佳叶尖速度比的最大功率点跟踪控制38

2.4.3基于最优转矩控制的最大功率点跟踪控制39

2.5小结40

参考文献40

第3章风力发电机和建模41

3.1简介41

3.2参考坐标系变换42

3.2.1abc/dq参考坐标系变换42

3.2.2abc/αβ参考坐标系变换45

3.3异步发电机模型45

3.3.1结构45

3.3.2空间矢量模型46

3.3.3dq轴参考坐标系模型48

3.3.4仿真模型49

3.3.5异步发电机的暂态特性51

3.3.6稳态等效电路54

3.4同步发电机60

3.4.1结构60

3.4.2同步发电机动态模型62

3.4.3稳态等效电路66

3.5小结70

参考文献71

第4章风力发电系统中的功率变流器72

4.1介绍72

4.2交流电压控制器（软起动器）73

4.2.1单相交流电压控制器73

4.2.2三相交流电压控制器75

4.3多重化并联升压变流器80

4.3.1单通道升压变流器81

4.3.2双通道多重化并联升压变流器84

4.3.3多通道多重化并联升压变流器88

4.4两电平电压源变流器91

4.4.1正弦波PWM92

4.4.2空间矢量调制94

4.4.3谐波分析102

4.5三电平中点箝位式变流器103

4.5.1变流器拓扑104

4.5.2空间矢量调制105

4.6PWM电流源变流器108

4.6.1电流源逆变器拓扑108

4.6.2特定谐波消除108

4.6.3空间矢量调制110

4.6.4PWM电流源整流器116

4.7并网逆变器控制117

4.7.1电压定向控制118

4.7.2具有解耦控制器的电压定向控制120

4.7.3采用电压定向控制和无功功率控制的并网逆变器122

4.8小结125

参考文献125

第5章风力发电系统结构127

5.1简介127

5.2定速风力发电系统128

5.2.1单速风力发电系统128

5.2.2双速风力发电系统129

5.3基于异步发电机的变速风力发电系统130

5.3.1带有外部转子电阻的绕线转子异步发电机130

5.3.2具有部分功率变流器的双馈异步发电机风力发电系统131

5.3.3采用全功率变流器的笼型异步发电机风力发电系统132

5.4变速同步风力发电系统135

5.4.1采用全功率背靠背功率变流器结构135

5.4.2采用二极管整流器和DC/DC变流器结构135

5.4.3用于多绕组发电机的分布式变流器139

5.5小结141

参考文献142

第6章基于异步发电机的定速风力发电系统143

6.1简介143

6.2定速风力发电系统结构143

6.2.1风力机143

6.2.2齿轮箱144

6.2.3发电机144

6.2.4软起动器145

6.2.5无功功率补偿145

6.2.6主要特征和缺点146

6.3工作原理147

6.3.1笼型异步发电机的定速运行147

6.3.2定速风力发电系统的双速运行147

6.4采用软起动器并网150

6.5无功功率补偿152

6.6小结156

参考文献156

第7章基于笼型异步发电机的变速风力发电系统157

7.1简介157

7.2直接磁场定向控制157

7.2.1磁场定向157

7.2.2笼型异步发电机风力发电系统直接磁场定向控制159

7.2.3转子磁链计算器160

7.2.4直接磁场定向控制风力发电系统的动态和稳态分析161

7.3间接磁场定向控制168

7.3.1间接磁场定向控制的工作原理168

7.3.2采用间接磁场定向控制的笼型异步发电机风力发电系统的稳态分析170

7.4直接转矩控制技术173

7.4.1直接转矩控制的原理173

7.4.2开关逻辑174

7.4.3定子磁链和转矩计算器176

7.4.4基于直接转矩控制的笼型异步发电机风力发电系统暂态分析178

7.4.5基于直接转矩控制的笼型异步发电机风力发电系统稳态分析179

7.5电流源变流器风力发电系统的控制184

7.5.1简介184

7.5.2在变化量α和固定值m条件下，对电流源变流器风力发电系统的控制186

7.5.3电流源变流器风力发电系统的稳态性能分析188

7.6小结194

参考文献195

第8章基于双馈异步发电机的风力发电系统196

8.1简介196

8.2双馈异步发电机的超同步和亚同步运行197

8.3双馈异步发电机的单位功率因数运行198

8.3.1带转子侧变流器的双馈异步发电机稳态等效电路199

8.3.2双馈异步发电机风力发电系统的转矩转差率特性203

8.3.3双馈异步发电机风力发电系统在PFs=1时的稳态分析206

8.3.4简化计算208

8.4超前和滞后功率因数运行210

8.5双馈异步发电机风力发电系统定子电压定向控制212

8.5.1定子电压定向控制的原理212

8.5.2系统控制框图215

8.5.3双馈异步发电机风力发电系统的暂态特性216

8.5.4双馈异步发电机风力发电系统的稳态性能219

8.6双馈异步发电机风力发电系统的起动和实验224

8.7小结226

参考文献226

第9章基于同步发电机的变速风力发电系统228

9.1简介228

9.2系统结构228

9.3同步发电机的控制229

9.3.1零d轴电流（ZDC）控制229

9.3.2单位电流最大转矩（MTPA）控制231

9.3.3单位功率因数（UPF）控制232

9.3.4零d轴电流、单位电流最大转矩和单位功率因数控制方法的比较234

9.4采用背靠背电压源变流器的同步发电机风力发电系统239

9.4.1采用零d轴电流控制和最优转矩控制的隐极式同步发电机风力发电系统240

9.4.2隐极式同步发电机风力发电系统的暂态和稳态分析241

9.4.3凸极式同步发电机风力发电系统的单位电流最大转矩和转速反馈控制244

9.4.4凸极式同步发电机风力发电系统的暂态和稳态分析246

9.4.5网侧最大功率点跟踪控制251

9.5采用DC/DC升压变流器的同步发电机风力发电系统252

9.6同步发电机风力发电系统的无功功率控制254

9.7基于电流源变流器（CSC）的同步发电机风力发电系统257

9.7.1采用触发延迟角控制的电流源变流器风力发电系统257

9.7.2采用电流源变流器的风力发电系统的无功功率控制261

9.8小结264

参考文献264

附录265

附录A标幺值规定265

附录B发电机参数266

B.1笼型异步发电机266

B.2双馈异步发电机269

B.3同步发电机271

附录C问题与解答274符号表符号表2100433B

《风力发电系统的功率变换》对风力发电系统的功率变换与控制进行了详细的介绍，提出了很多解决方案，包括风力发电系统的离网和并网运行、陆上和海上应用、水平轴和垂直轴风力机、定速和变速运行、失速和变桨距控制、并网导则等，并针对基于一部发电机的定速风力发电系统、笼型异步发电机变速风力发电系统、基于双馈异步发电系统、同步发电机的变速风力发电系统等，进行深入剖析，给出了具体的建模方法与控制措施。

本书主要介绍双馈感应电机风力发电系统的建模、仿真与控制技术。在介绍风力发电系统基本概念及其基本理论的基础上，系统地介绍了双馈感应电机风力发电机稳态数学模型及其运行、双馈感应电机的动态数学模型、背靠背功率变换器数学模型及其控制技术、双馈感应电机矢量控制技术以及基于MATLAB/SIMULINK仿真软件完成的双馈感应电机风力发电系统仿真。

电力电子新技术系列图书序言

前言

本书涉及的常用符号表

第1 章　绪论 1

1. 1　风能开发与利用 1

1. 1. 1　能源危机问题 1

1. 1. 2　生态环境问题 1

1. 1. 3　风能开发与利用 2

1. 2　风力发电系统技术发展 6

1. 2. 1　恒速恒频风力发电系统 7

1. 2. 2　变速恒频风力发电系统 7

1. 3　双馈感应电机风力发电系统描述 12

1. 3. 1　双馈感应电机风力发电系统接入电网方式 12

1. 3. 2　双馈感应电机风力发电系统功率变换器技术 14

1. 3. 3　双馈感应电机技术 18

1. 3. 4　双馈感应电机风力发电系统典型拓扑结构及其优点 19

1. 3. 5　双馈感应电机风力发电系统控制技术 21

1. 4　本书内容概述 24

参考文献 26

第2 章　风力发电系统基本概念及其基础理论 30

2. 1　风力发电系统的基本概念 30

2. 1. 1　风力发电系统基本组成 30

2. 1. 2　风轮结构 32

2. 1. 3　风轮功率控制 32

2. 2　风力发电系统理论基础 34

2. 2. 1　风能 34

2. 2. 2　贝兹极限 35

2. 2. 3　风轮的特性系数 37

2. 2. 4　Cp λ 曲线 39

2. 2. 5　CT λ 曲线 40

2. 2. 6　风轮输出功率表达式 41

2. 2. 7　风轮输出转矩表达式 43

2. 3　变速风力发电系统功率控制分区 44

2. 4　变速风力发电系统转速控制分区 46

2. 4. 1　变速风力发电系统最小和最大转速控制 47

2. 4. 2　变速风力发电系统额定功率控制 48

2. 4. 3　变速风力发电系统最大风能跟踪控制 49

2. 5　小结 51

参考文献 52

第3 章　双馈感应电机稳态数学模型及其运行 53

3. 1　双馈感应电机的结构及其优点 53

3. 2　双馈感应电机基本概念 54

3. 2. 1　双馈感应电机的电磁力 54

3. 2. 2　转速差和转差率概念 55

3. 2. 3　双馈感应电机转子频率 56

3. 2. 4　双馈感应电机稳态等效电路 57

3. 2. 5　双馈感应电机稳态数学模型及其相量图 62

3. 3　双馈感应电机的稳态运行 66

3. 3. 1　双馈感应电机基本有功功率流动及其平衡关系 66

3. 3. 2　转子铜耗和转换功率的分解 67

3. 3. 3　双馈感应电机有功功率计算 70

3. 3. 4　双馈感应电机电磁转矩计算 72

3. 3. 5　双馈感应电机无功功率计算 73

3. 3. 6　双馈感应电机有功功率、电磁转矩和转速之间的近似关系 74

3. 3. 7　双馈感应电机四象限运行 75

3. 3. 8　双馈风力发电系统变速恒频运行 78

3. 3. 9　双馈感应电机稳态数学模型标幺值系统 79

3. 4　小结 82

参考文献 83

第4 章　双馈感应电机动态数学模型 84

4. 1　三相自然静止ABC/ abc 坐标系下双馈感应电机的数学模型 84

4. 2　两相正交坐标系下双馈感应电机数学模型 91

4. 2. 1　坐标变换 91

4. 2. 2　两相任意旋转dq0 坐标系下的双馈感应电机数学模型 93

4. 2. 3　静止αβ 坐标系下的双馈感应电机数学模型 100

4. 2. 4　同步旋转xy 坐标系下的双馈感应电机数学模型 102

4. 3　双馈感应电机在正交坐标系下的状态方程 104

4. 3. 1　任意旋转dq0 坐标系下双馈感应电机状态方程 104

4. 3. 2　两相静止αβ 坐标系下双馈感应电机状态方程 106

4. 3. 3　两相同步xy 坐标系下双馈感应电机状态方程 107

4. 4　双馈感应电机数学模型的空间矢量表征 108

4. 4. 1　空间矢量概念 108

4. 4. 2　三相自然静止坐标系下的双馈感应电机数学模型空间矢量表征 109

4. 4. 3　任意旋转两相dq 坐标系下双馈感应电机数学模型空间矢量表征 110

4. 5　标幺值系统及其转换 112

4. 6　双馈感应电机仿真模型实现 116

4. 7　小结 118

参考文献 118

第5 章　背靠背功率变换器数学模型及其控制技术 119

5. 1　交直交电压型功率变换器基本拓扑及工作原理 119

5. 2　网侧系统稳态运行 120

5. 3　背靠背功率变换器数学模型 123

5. 3. 1　网侧变换器数学模型 123

5. 3. 2　网侧滤波器数学模型 128

5. 3. 3　转子侧变换器数学模型 129

5. 3. 4　直流侧数学模型 130

5. 3. 5　背靠背功率变换器仿真模型实现 131

5. 4　功率变换器调制技术 133

5. 4. 1　正弦波脉宽调制技术 133

5. 4. 2　三次谐波注入的正弦波脉宽调制技术 136

5. 4. 3　空间矢量脉宽调制技术 140

5. 5　网侧变换器控制技术 152

5. 5. 1　网侧滤波器两相正交坐标系下数学模型 152

5. 5. 2　网侧变换器电网电压定向矢量控制技术(VOC) 154

5. 6　小结 165

参考文献 165

第6 章　双馈感应电机矢量控制技术 167

6. 1　矢量控制技术 167 2100433B

译者序

原书序

原书前言

原书致谢

第一部分绪论

第1章绪论1

1.1功率变换器和传动装置的应用1

1.2功率变换器的类型3

1.2.1通用传动系统3

1.2.2功率变换器的分类3

1.3功率变换器和传动装置的控制6

1.3.1早期的功率变换器控制6

1.3.2目前的功率变换器控制8

1.3.3控制要求和面临的挑战9

1.3.4数字控制平台10

1.4预测控制技术特别适用于电力电子领域的原因11

1.5本书内容11

参考文献13

第2章功率变换器和传动装置的传统控制方法14

2.1传统电流控制方法14

2.1.1滞环电流控制14

2.1.2基于脉宽调制或空间矢量调制的线性控制17

2.2传统电气传动装置控制方法21

2.2.1磁场定向控制22

2.2.2直接转矩控制23

2.3总结26

参考文献27

第3章模型预测控制28

3.1功率变换器和传动装置的预测控制方法28

3.2模型预测控制的基本原理29

3.3电力电子和传动装置的模型预测控制31

3.3.1控制器设计31

3.3.2实现34

3.3.3通用控制方案34

3.4总结35

参考文献35

第二部分应用于功率变换器的模型预测控制

第4章三相逆变器的预测控制37

4.1引言37

4.2预测电流控制37

4.3代价函数38

4.4变换器模型38

4.5负载模型42

4.6预测的离散时间模型42

4.7工作原理43

4.8预测控制策略实施45

4.9与传统控制策略进行比较53

4.10总结56

参考文献56

第5章三相三电平中性点钳位逆变器的预测控制57

5.1引言57

5.2系统建模57

5.3应用脉宽调制的线性电流控制方法61

5.4预测电流控制方法62

5.5实现64

5.5.1开关频率降低64

5.5.2电容电压平衡68

5.6总结70

参考文献71

第6章有源前端整流器的控制72

6.1引言72

6.2整流器模型74

6.2.1空间矢量模型74

6.2.2离散时间模型76

6.3在有源前端整流器中的预测电流控制77

6.3.1代价函数77

6.4预测功率控制80

6.4.1代价函数和控制方案80

6.5AC-DC-AC变换器的预测控制84

6.5.1逆变器侧控制84

6.5.2整流器侧控制85

6.5.3控制方案85

6.6总结88

参考文献88

第7章矩阵变换器的控制90

7.1引言90

7.2系统的模型90

7.2.1矩阵变换器模型90

7.2.2矩阵变换器工作原理92

7.2.3开关的转换93

7.3经典控制：Venturini方法93

7.4矩阵变换器的预测电流控制96

7.4.1为预测控制产生的矩阵变换器模型96

7.4.2输出电流控制98

7.4.3在输入无功功率最小条件下的输出电流控制99

7.4.4输入无功功率控制103

7.5结论104

参考文献104

第三部分应用于电机传动的模型预测分析

第8章感应电机预测控制105

8.1引言105

8.2感应电机动态模型106

8.3利用预测电流控制对由矩阵变换器供电的感应电机进行磁场定向控制108

8.3.1控制方案108

8.4对由电压源逆变器供电的感应电机进行预测转矩控制111

8.5对由矩阵变换器供电的感应电机进行预测转矩控制115

8.5.1转矩与磁链控制115

8.5.2采用输入最小化无功功率的转矩与磁链控制117

8.6总结118

参考文献119

第9章永磁同步电机预测控制121

9.1引言121

9.2电机方程121

9.3采用预测电流控制的磁场定向控制123

9.3.1离散时间模型123

9.3.2控制方案123

9.4预测速度控制126

9.4.1离散时间模型127

9.4.2控制方案127

9.4.3转子速度估算128

9.5总结130

参考文献130

第四部分模型预测控制的设计与实现

第10章代价函数的选择131

10.1引言131

10.2参考跟踪131

10.2.1示例131

10.3驱动约束条件132

10.3.1开关频率最小化134

10.3.2开关损耗最小化135

10.4约束条件138

10.5频谱含量140

10.6总结143

参考文献144

第11章权重系数设计145

11.1引言145

11.2代价函数分类145

11.2.1未包含权重系数的代价函数146

11.2.2包含次要项的代价函数146

11.2.3包含同等重要项的代价函数147

11.3权重系数调整147

11.3.1包含次要项的代价函数147

11.3.2包含同等重要项的代价函数148

11.4示例149

11.4.1降低开关频率149

11.4.2降低共模电压150

11.4.3输入无功功率降低150

11.4.4转矩与磁链控制151

11.4.5电容电压平衡155

11.5总结156

参考文献157

第12章延时补偿158

12.1引言158

12.2计算时间导致的延时影响158

12.3延时补偿方法160

12.4未来参考值预测164

12.4.1采用外推法的未来参考值计算164

12.4.2采用矢量角补偿法的未来参考值计算166

12.5总结168

参考文献168

第13章模型参数误差影响169

13.1引言169

13.2三相逆变器169

13.3采用脉宽调制的比例积分控制器170

13.3.1控制方案170

13.3.2模型参数误差影响170

13.4采用脉宽调制的无差拍控制171

13.4.1控制方案171

13.4.2模型参数误差影响172

13.5模型预测控制173

13.5.1负载参数变化影响173

13.6比较结果174

13.7总结179

参考文献179

附录180

附录A预测控制仿真——三相逆变器180

A.1三相逆变器的预测电流控制180

A.1.1仿真参数的定义183

A.1.2预测电流控制的MATLAB代码184

附录B预测控制仿真——由两电平逆变器驱动的感应电机的转矩控制186

B.1预测转矩控制仿真参数的定义189

B.2预测转矩控制仿真的MATLAB代码190

附录C预测控制仿真——矩阵变换器192

C.1直接矩阵变换器的预测电流控制192

C.1.1仿真参数的定义194

C.1.2具有瞬时无功功率最小化的预测电流控制的MATLAB代码196