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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PWM92

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