风力发电系统的功率变换与控制

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

3.2.1 abc/dq参考坐标系变换 42

3.2.2 abc/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

3.3.3 dq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PWM 92

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

4.6 PWM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

4.6.4 PWM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