双馈风力发电系统的建模、仿真与控制

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
2.2.4Cp-λ曲线39
2.2.5CT-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dpo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dpo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dp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
6.2矢量的定向168
……

能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力. 是人类赖以生存和发展的基础. 然而在近代人类发展的长河中. 世界各国能源消费结构一直以来几乎没有发生大的变化. 仍然以石油、天然气、煤炭等常规能源为主. 但是作为世界能源主要支柱的常规能源的储量是非常有限的. 在全球经济急剧增长的今天. 对能源的需求越来越大. 世界常规能源的储量越来越少. 能源危机越来越严重. 已经成为阻碍人类进一步发展的桎梏. 除了能源危机之外. 常规能源的大量消耗还给人类带来了严重的环境污染问题. 甚至到了影响地球生态系统自律功能正常运转的严重程度.为了应对能源与环境既相互矛盾又相互联系的两大难题. 人们经过艰难的探索. 逐步认识到可再生能源的开发和利用是有效的解决途径之一. 这主要是因为可再生能源比如风能、太阳能、潮汐能等不仅可再生. 而且对环境友好. 对环境的影响是局部的、可控的、可以忽略不计的. 目前. 开发利用绿色能源已成为保护环境. 促进可持续发展的有效途径. 是当今世界各国政府达成的共识. 近年来. 尤其是对风能资源的开发和利用. 已受到世界各国的高度重视. 并取得了长足的发展.本书首先回顾了目前国内外风力发电的发展及双馈感应电机风力发电系统的研究成果. 然后. 在风力机的空气动力学原理和能量转换原理的基础上. 系统地介绍了风力发电系统结构、风轮功率的控制方法以及变速风力发电系统功率控制和转速控制在不同运行区域的控制任务和控制策略. 从实际风力发电系统的功率曲线出发分析了变速风力发电系统在中低风速时追踪最大风能的可能性及其控制策略.双馈感应电机风力发电系统是目前风电市场上主流技术之一. 因此. 本书对该机型作了系统的介绍. 从双馈感应电机的稳态数学模型和运行入手. 先后介绍了双馈感应电机的动态数学模型及其控制、背靠背功率变换器数学模型及其控制以及系统仿真模型的实现和仿真.作者自２００５ 年在中国矿业大学攻读硕士以来. 乃至在上海交通大学攻读博士期间. 一直从事风力发电的科学研究工作. 尤其是对双馈感应电机风力发电系统有着系统性的研究. 因此. 希望本书能对读者了解双馈感应电机风力发电系统有所帮助和启迪.ＶＩＩ在本书撰写过程中. 也得到了山西省自然科学基金(２０１５０１１０６５) 和大同市基础研究项目(２０１５１１２) 资金的大力支持. 作者借此向他们表示感谢!本书主要供工程技术人员在从事风电产品研发、生产制造和运行时参考. 也可作为从事风电研究的教师和研究生的参考用书.限于作者水平. 书中错误之处在所难免. 恳求读者批评指正!作  者２０１６ 年８ 月