作为清洁、永续的可再生能源，风力发电在我国得到大力发展。由于风能的动态、随机性等特点，大容量风电注入将对电网的稳定运行造成影响。目前我国并网风力发电场规模越来越大，而且远离负荷中心，因此，我国风电并网给电网带来的影响尤其严重。变速恒频双馈风力发电系统已成为我国风力发电的主要形式，其可靠运行直接影响电网的安全运行与风电场的经济效益。 本课题首先从变速恒频风电双馈电机的建模入手，分析双馈电机的数学模型、性能与特点。研究双馈电机矢量的控制系数对控制系统动态性能的影响，研究双馈电机转子转速变化对控制系统动态性能的影响。分析和总结双馈电机定转子电流谐波的基本来源，并结合理论分析和试验结果分析各种谐波的基本特征，提出了减小双馈电机电流谐波的方法，从而对双馈电机的特性有更加清楚的认识。 通过对双馈电机最常用的矢量控制的稳定性进行研究，分析矢量控制中的转子位置角信号对控制系统的稳定性的影响，并通过数字仿真进行了验证。针对变速恒频双馈电机的特点，结合传统电力系统的同步发电机理论，对双馈电机数学模型进行同步化，建立了同步化的双馈电机的数学模型。在双馈电机同步化模型基础上，研究风电双馈电机新的控制方法――转子电压幅值频率控制（MFC）方法，该方法无需PARK坐标变换，无需双馈电机转子角度信号，解决了双馈电机转子位置角信号故障对控制系统的稳定性的影响。在此基础上，进一步研究基于转子幅值频率控制的容错控制方法，从而提高风电双馈电机控制系统的运行性能与可靠性。通过数字仿真验证了所提出的转子电压幅值频率控制方法与基于幅值频率控制的容错控制方法的有效性。 最后，研究大规模风电并网对电网的影响，为了减小风电波动对电网频率的影响，研究使用控制方法降低风电场功率输出的波动性，提出了抑制系统频率偏差的风电功率波动平滑控制器设计方法，该方法使用电力系统频率偏差作为指标，在电力系统频率偏差不超标的条件下，最优的降低风电功率的波动性。研究利用储能抑制风电功率的波动，提出了储能容量的设计方法。 本课题研究成果对于研究减小大规模风力发电接入对电网的影响具有重要的理论指导和应用价值。 本课题顺利完成，在本课题基金的资助下，共发表23篇论文，其中18篇期刊，4篇国际会议。在本领域IEEE、IET等国际权威期刊上发表SCI收录4篇，ISTP收录1篇，另外EI收录10篇。 2100433B

作为清洁、永续的可再生能源，风力发电在我国得到大力发展。由于风能的动态、随机性等特点，大容量风电注入将对电网的稳定运行造成影响。目前我国并网风力发电场规模越来越大，而且远离负荷中心，因此，我国风电并网给电网带来的影响尤其严重。变速恒频双馈风力发电系统已成为我国风力发电的主要形式，其控制复杂，已有的控制策略复杂且主要考虑双馈电机本体，没有考虑并网后对电力系统的影响等因素，因而给并网分析带来一定困难。本申请针对变速恒频双馈风力发电的特点，结合传统电力系统的同步发电机理论，对双馈电机风电系统进行同步化，并提出了风电双馈电机新的控制方法――幅值频率控制方法，该方法不需要矢量变换、不需要检测转子的转速和位置信号及转子电流信号等，大大简化了风电双馈电机的控制设计，提高了风电双馈电机控制系统的可靠性，有助于分析双馈风力发电的并网运行，对于研究大规模风力发电接入对电网的影响具有重要的理论指导和应用价值。

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。

前言

第一章 绪论

第二章 双馈风力发电系统运行特性分析

第三章 双馈风力发电机设计与优化

第四章 双馈风力发电系统网侧变换器控制

第五章 双馈风力发电系统转子侧变换器控制

第六章 双馈风力发电系统功率变换器设计与运行控制 2100433B

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