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第1章 风力发电系统概述 1

1.1引言 1

1.2恒速风力机（FSWT）的基本概念 1

1.2.1风力机的基本介绍 1

1.2.2风力机的功率控制 4

1.2.3风力机空气动力学 6

1.2.4商用风力机实例 8

1.3变速风力机（VSWTs） 9

1.3.1变速风力机的建模 10

1.3.2变速风力机的控制系统 13

1.3.3变速风力机的电气系统 19

1.4基于DFIM VSWT的风力发电系统 22

1.4.1 DFIM VSWT的电气配置 22

1.4.2风电场的电气配置 28

1.4.3 WEGS控制结构 30

1.5并网导则要求 34

1.5.1频率与电压运行范围 34

1.5.2无功功率与电压控制能力 35

1.5.3有功功率控制 36

1.5.4电力系统稳定器功能 39

1.5.5低电压穿越（LVRT） 39

1.6电压跌落与LVRT 39

1.6.1电力系统 40

1.6.2电压跌落 42

1.6.3西班牙的验证程序 46

1.7 DFIM VSWT制造商 48

1.7.1工业解决方案：风力机制造商 48

1.7.2一台2.4MW风力机的建模 61

1.7.3发电机稳态运行点与功率变换器容量 67

1.8对后续各章的介绍 71

参考文献 72

第2章 背靠背电力电子变换器 73

2.1引言 73

2.2基于两电平拓扑的背靠背变换器 74

2.2.1网侧系统 74

2.2.2转子侧变换器及dv/dt滤波器 80

2.2.3直流母线 83

2.2.4可控开关驱动脉冲的产生方法 84

2.3多电平VSC拓扑结构 94

2.3.1三电平中点钳位式VSC拓扑结构（3L-NPC） 96

2.4网侧系统的控制 108

2.4.1网侧系统的稳态模型 108

2.4.2网侧系统的动态模型 112

2.4.3网侧系统的矢量控制 116

2.5总结 123

参考文献 123

第3章 DFIM稳态模型 125

3.1引言 125

3.2稳态等效电路 125

3.2.1 DFIM基本概念 125

3.2.2稳态等效电路 126

3.2.3相量图 130

3.3不同运行工况下的速度和功率流向 132

3.3.1有功功率的基本关系 132

3.3.2转矩表达式 134

3.3.3无功功率表达式 135

3.3.4有功功率、转矩和速度之间的近似关系 135

3.3.5四象限运行 136

3.4标幺化 138

3.4.1基准值 138

3.4.2变量和参数标幺化 139

3.4.3标幺制下的DFIM稳态方程 140

3.4.4例3.1：一台2MW DFIM参数 141

3.4.5例3.2：不同功率等级的DIM参数 143

3.4.6例3.3.2MW DFIM相量图以及标幺化分析 144

3.5稳态工作曲线：性能评估 146

3.5.1转子电压比：频率、幅值和相位 147

3.5.2转子电压比：电压幅值、频率比值（V-F）恒定 153

3.5.3转子电压改变：控制定子侧无功和转矩 155

3.6 DFIM应用于风力发电设备的设计要求 161

3.7总结 164

参考文献 165

第4章 DFIM动态模型 166

4.1引言 166

4.2 DFIM动态建模 166

4.2.1 αβ坐标系下模型 168

4.2.2 dq坐标系下模型 170

4.2.3 αβ模型的状态空间表示 171

4.2.4 dq模型的状态空间表示 183

4.2.5稳态模型和动态模型间的关系 187

4.3总结 190

参考文献 190

第5章 DFIM测试 192

5.1引言 192

5.2 DFIM模型参数的离线估算 192

5.2.1对DFIM模型参数的考虑 193

5.2.2采用VSC估算定转子电阻 195

5.2.3基于VSc的漏感估算 198

5.2.4空载条件下采用VSc估测励磁电感和铁损 203

5.3总结 208

参考文献 208

第6章 电压跌落时DFIM的特性分析 210

6.1引言 210

6.2转子感应电动势 210

6.3正常工况运行特性 211

6.4三相电压跌落 212

6.4.1转子开路电压完全跌落的情况 213

6.4.2转子开路部分电压跌落的情况 216

6.5不对称电压跌落 221

6.5.1对称分量法基本原理 222

6.5.2对称分量法应用于DFIM 224

6.5.3单相电压跌落 226

6.5.4相间电压跌落 230

6.6转子电流的影响 232

6.6.1三相电压完全跌落时转子电流的影响 232

6.6.2一般情况下的转子电压 235

6.7电压跌落期间双馈感应电机的等效模型 237

6.7.1线性等效模型 238

6.7.2非线性等效模型 239

6.7.3电网模型 240

6.8小结 240

参考文献 241

第7章 并网DFIM风电机组的矢量控制策略 243

7.1引言 243

7.2矢量控制 243

7.2.1电流指令值的计算 244

7.2.2电流指令值的限制 246

7.2.3电流控制环 247

7.2.4坐标定向 250

7.2.5完整控制系统 251

7.3矢量控制的小信号稳定性 251

7.3.1坐标定向的影响 252

7.3.2控制器调节的影响 256

7.4电网电压不平衡条件下矢量控制的行为 262

7.4.1坐标定向 262

7.4.2转子侧变换器的饱和 262

7.4.3定子电流和电磁转矩的振荡 263

7.5电压跌落下矢量控制的行为 265

7.5.1轻微电压跌落 266

7.5.2严重电压跌落 270

7.6电网扰动下的控制方案 272

7.6.1去磁电流 272

7.6.2双重控制策略 279

7.7总结 288

参考文献 289

第8章 DFIM直接控制技术 292

8.1引言 292

8.2 DFIM直接转矩控制（DTC） 293

8.2.1基本原理 293

8.2.2控制框图 295

8.2.3例8.1：2MW DFIM直接转矩控制 302

8.2.4转子电压矢量对DFIM影响的研究 303

8.2.5例8.2：采用DTC下2MW DFIM的频谱分析 308

8.2.6转子磁链幅值参考值的产生 308

8.3 DFIM直接功率控制（DPC） 311

8.3.1基本原理 311

8.3.2控制框图 312

8.3.3例8.3：2MW DFIM直接功率控制 316

8.3.4转子电压矢量对DFIM影响的研究 317

8.4 DFIM定开关频率的预测直接转矩控制（P-DTC） 320

8.4.1基本原理 321

8.4.2控制框图 322

8.4.3例8.4：开关频率800Hz时，15kW和2MW DFIM的P-DTC 330

8.4.4例8.5：4kHz开关频率下15kW DFIM的P-DTC策略 333

8.5 DFIM定开关频率的预测直接功率控制（P-DPC） 333

8.5.1基本原理 334

8.5.2控制框图 335

8.5.3例8.6：定开关频率1kHz下15kW DFTM的P-DPC 339

8.6基于多电平变换器的DFIM定开关频率P-DPC和P-DTC 341

8.6.1前言 341

8.6.2基于3L-NPC VSC的DFIM P-DPC 342

8.6.3基于3L-NPC VSC的DFIM P-DTC 357

8.7电网电压扰动下基于直接控制技术的控制解决方案 361

8.7.1前言 361

8.7.2不平衡电网电压下的DPC策略 361

8.7.3不平衡电网电压下的DTC策略 366

8.7.4电压跌落下的DTC 372

8.8总结 377

参考文献 377

第9章 低电压穿越（LVRT）的硬件解决方案 381

9.1引言 381

9.2与LVRT相关的并网导则 381

9.3 Crowbar 383

9.3.1主动型Crowbar的设计 384

9.3.2三相电压跌落的响应特性 386

9.3.3不对称跌落的响应特性 387

9.3.4 Crowbar和控制算法的协调 390

9.4制动斩波器 391

9.4.1独立安装的制动斩波器性能 392

9.4.2 Crowbar和制动斩波器的配合 393

9.5其他保护技术 394

9.5.1负载代替 394

9.5.2风电场解决方案 395

9.6总结 395

参考文献 396

第10章 其他控制问题：估算器结构和并网DFIM的起动 398

10.1简介 398

10.2估算器和观测器结构 398

10.2.1一般考虑 398

10.2.2用于转子侧DPC的定子有功和无功功率估算 399

10.2.3转子侧矢量控制中基于定子电压的定子磁链估算器 400

10.2.4转子侧矢量控制中基于定子电压的定子磁链同步 402

10.2.5转子侧DPC、DTC和矢量控制所需的定转子磁链估算器 403

10.2.6定转子磁链全阶观测器 403

10.3 DFIM风电机组的起动 406

10.3.1编码器整定 408

10.3.2与电网同步 412

10.3.3 DFIM风电机组序列化起动过程 416

10.4总结 425

参考文献 425

第11章 基于DFIM的独立发电系统 427

11.1引言 427

11.1.1独立运行DFIM系统的要求 427

11.1.2直流侧带储能装置的DFIM特性 428

11.1.3滤波电容的选择 430

11.2独立运行下DFIM系统的数学描述 432

11.2.1独立运行下DFIM模型 432

11.2.2基于电流源馈电的独立运行DFIM模型 436

11.2.3独立运行DFIM的极坐标模型 439

11.2.4基于电流源馈电的独立运行DFIM的极坐标模型 443

11.3定子电压控制 445

11.3.1基于PLL的幅值和频率控制 445

11.3.2不平衡负载条件下独立运行系统电压不对称校正 452

11.3.3非线性负载条件下电压谐波抑制 455

11.4并网前独立运行系统采用PLL控制同步 458

11.5总结 461

参考文献 461

第12章 风力发电的新趋势 463

12.1引言 463

12.2风力发电未来的挑战：什么是必须创新的 463

12.2.1风电场位置的选取 464

12.2.2能量、效率与可靠性的增加 465

12.2.3电网一体化 466

12.2.4环境问题 466

12.3技术趋势：如何实现 467

12.3.1风电机组的机械结构 467

12.3.2功率传输技术 468

12.4总结 478

参考文献 479

附录 482

A.1空间矢量表达 482

A.1.1空间矢量表示法 482

A.1.2不同坐标系之间的变换 484

A.1.3功率表达 486

A.2考虑铁损的DFIM动态建模 487

A.2.1 αβ坐标系中的模型 488

A.2.2 dq坐标系中的模型 490

A.2.3用状态空间表示的αβ模型 491

参考文献 493