风力发电机组控制技术

本书共分9章，主要针对目前两种主流风力发电系统——直驱永磁同步风力发电系统和双馈异步风力发电系统，在正常运行和电网故障时的工作原理、控制策略进行研究和探讨。本书系统介绍从风能的捕获到风电并网整个过程中风力发电机组的运行与控制技术，包括风力发电系统的组成、类型，风力发电系统中的电力电子装置和风力发电技术发展趋势；研究风力发电机组的功率控制策略，两种风力发电系统的工作原理与控制策略，以及提高风力发电机组低电压穿越能力的措施；还探讨了风力发电机组在电网故障时的运行与控制策略，提出提高风力发电系统故障容错能力的措施。本书可作为从事风力发电机组的研发、运行和管理的研究人员、技术人员的参考书，同时可供高等院校电气工程专业的师生阅读，也可作为电气工程和能源工程专业的研究生教材。

第1章绪论1
1．1风力发电概况1
1．1．1外国风力发电现状及展望1
1．1．2中国风力发电现状及展望2
1．2风力发电机组的基本组成3
1．3风力发电系统的主要类型4
1．3．1恒速恒频风力发电系统4
1．3．2有限变速风力发电系统5
1．3．3带部分功率变换器的变速恒频风力发电系统―双馈风力发电系统5
1．3．4带全功率变换器的变速恒频风力发电系统6
1．3．5采用其他类型发电机的风力发电系统7
1．4风力发电系统中的电力电子装置10
1．4．1软起动器10
1．4．2电容器组10
1．4．3变换器11
1．4．4风电场中的电力电子变换器拓扑结构12
1．5风力发电技术发展趋势13
1．5．1风力发电机组大型化13
1．5．2从陆地向海洋拓展13
1．5．3采用直驱型或半直驱型风力发电机组13
1．5．4提高风力发电机组的运行可靠性14
1．5．5分布式发电和微网技术14
1．5．6智能化控制15
1．6本章小结15
第2章风力发电机组的功率特性与功率控制16
2．1风力发电基本原理16
2．2风轮的空气动力学特性17
2．2．1风能的计算17
2．2．2风轮动量理论（贝兹极限理论）18
2．2．3影响输出功率的因素20
2．3风轮机的功率特性20
2．4风轮机的功率控制22
2．4．1风轮机的种类22
2．4．2风轮机的功率控制方式23
2．5风力发电机组的功率控制策略25
2．5．1风力发电机组的运行控制策略25
2．5．2额定风速以下时发电机组的运行控制26
2．5．3额定风速以上时发电机组的运行控制28
2．6优选功率点跟踪控制策略28
2．6．1很好叶尖速比控制29
2．6．2功率信号回馈控制29
2．6．3爬山搜寻控制30
2．6．4改进的爬山搜寻控制30
2．6．5很优转矩控制31
2．7本章小结32
第3章直驱风力发电系统的变流控制策略33
3．1直驱风力发电系统的构成与工作原理33
3．2直驱风力发电系统的控制策略35
3．2．1变换器控制策略1（传统控制策略）36
3．2．2变换器控制策略2（新型控制策略）48
3．2．3两种控制策略的比较54
3．3实验研究55
3．3．1控制系统的硬件55
3．3．2控制系统的软件设计57
3．3．3实验验证58
3．4本章小结60
第4章双馈风力发电系统的运行原理61
4．1双馈风力发电系统的构成与工作原理61
4．2双馈发电机的电磁关系64
4．2．1双馈发电机的等效电路和基本方程式64
4．2．2双馈发电机的相量图64
4．2．3双馈风力发电机的功率特性65
4．3双馈风力发电机的数学模型70
4．3．1三相静止坐标系abc中的数学模型70
4．3．2两相旋转坐标系dq中的数学模型72
4．4双馈风力发电机功率变换器的控制74
4．4．1功率变换器控制原理74
4．4．2网侧变换器的控制75
4．4．3转子侧变换器的控制75
4．5实验验证78
4．6本章小结80
第5章风力发电机组的低电压穿越技术81
5．1风电的并网要求82
5．1．1频率和有功功率控制82
5．1．2短路功率和电压变化82
5．1．3无功功率控制83
5．1．4闪变84
5．1．5谐波84
5．1．6稳定性85
5．2风力发电机组的并网过程85
5．2．1双馈风力发电机组的并网控制86
5．2．2直驱风力发电机组的并网控制86
5．3直驱风力发电机组的低电压穿越技术86
5．3．1电网电压跌落概念87
5．3．2PMSG风轮的低电压穿越88
5．3．3风力发电系统的低电压穿越99
5．4双馈风力发电机组的低电压穿越技术102
5．4．1低电压穿越运行的控制目标102
5．4．2DFIG风轮的低电压穿越措施103
5．5本章小结115
第6章电网故障时网侧变换器的同步化方法研究116
6．1风力发电系统网侧变换器的电网同步化要求116
6．2锁相方法117
6．2．1开环锁相法117
6．2．2闭环锁相法117
6．3本章小结133
第7章电网故障时直驱风力发电系统的运行与控制134
7．1电网故障时直驱风力发电系统的控制策略134
7．2电网故障时直驱风力发电系统的控制134
7．2．1电网故障时直驱风力发电系统的控制结构134
7．2．2网侧变换器中的电流控制器135
7．2．3不平衡电压下直流母线电压的控制机理138
7．3不对称电网故障时直驱风力发电系统仿真与实验研究143
7．4本章小结147
第8章双馈风力发电系统的风轮控制策略148
8．1风力发电系统总体控制方案148
8．2风轮控制策略151
8．2．1控制策略1151
8．2．2控制策略2153
8．3控制器的设计154
8．3．1转速控制器1的设计154
8．3．2功率控制器1的设计155
8．3．3交叉耦合控制156
8．3．4转速控制器2的设计157
8．3．5功率控制器2的设计158
8．4本章小结158
第9章风力发电机组的故障容错技术159
9．1故障诊断概述159
9．1．1故障诊断的概念159
9．1．2故障诊断的由来159
9．1．3故障诊断的分类160
9．1．4故障诊断的任务160
9．1．5评价故障诊断的指标160
9．1．6故障诊断的发展历史161
9．2故障容错的基本理论162
9．3风力发电机组常见故障162
9．3．1风力发电机组叶片故障163
9．3．2风力发电机组轴承故障163
9．3．3风力发电机故障164
9．3．4风力发电系统变换器故障165
9．3．5风力发电系统齿轮箱故障165
9．3．6其他故障165
9．4风力发电机组故障诊断技术166
9．5提高风力发电系统故障容错能力的措施167
9．5．1采用多相发电机167
9．5．2采用具有容错能力的变换器拓扑结构167
9．5．3采用具有冗余开关器件的变换器168
9．5．4采用开关磁阻发电机168
9．5．5设计特殊结构的容错永磁同步发电机168
9．6本章小结169
参考文献170