风力发电系统的功率变换与控制.pdf

关于本书 目 前关于各种实用风力发电系统最全面、最详细的分析。全书通过仿真和实验分析 了一些重要的概念，通过表格、框图和图形介绍了设计方法。为了帮助读者理解风力发电系统的原理和运行，本书在各章节中给出超过3 0 个的实例，在附录中给出超过 1 0 0 个的例题。这本书不仅可以作为科研人 员、工程师和工业咨询顾问很有价值的参考书，而且可以作为研究生和高年级本科生的教科书。“这本书非常重要而且 非常及时。它将在全世界范围内广受欢迎这本书对各种类型风力发电系 统中的发电机、变 流器和控制系统做了全面及深入 的分析，这本书结构清晰、合理，包含 了理论解释、数学分析、计算机仿真、实验结果和实例求解 这是一本 在理论和实际应用之间完美平衡独特的国际电气工程先进技术译丛风力发电系统的功率变换与控制（加拿大）Bin Wu（中国）Yongqiang Lang（加拿大）Navid Zargari（智利）Samir Kouro 著卫三民 周京华 王 政张 岚 苏位峰 宇文博译李发海 校机 械 工 业 出 版 社本书对风力发电系统的功率变换与控制进行了详细的介绍，提出了很多解决方案，包括风力发电系统的离网和并网运行、陆上和海上应用、水平轴和垂直轴风力机、定速和变速运行、失速和变桨距控制、并网导则等，并针对基于异步发电机的定速风力发电系统、笼型异步发电机变速风力发电系统、基于双馈异步发电机的风力发电系统、同步发电机的变速风力发电系统等，进行深入剖析，给出了具体的建模方法与控制措施。本书可供从事风力发电的研究和工程设计人员参考，也完全可作为研究生或高年级本科生的教材。Power Conversion and Control of Wind Energy Systems，ISBN：978-0-470-59365-3，Bin Wu，Yongqiang Lang，Navid Zargari and Samir Kouro.All Rights Reserved.This translation published under license.本书中文简体字版由 Wiley 授权机械工业出版社独家出版。未经出版者书面允许，本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。版权所有，翻印必究。本书版权登记号：图字 01-2011-5301 号图书在版编目（CIP）数据风力发电系统的功率变换与控制/（加）吴斌等著；卫三民等译.北京：机械工业出版社，2012.5（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Power Conversion and Control of Wind Energy SystemsISBN 978-7-111-38169-3.风.吴卫.风力发电系统-功率-变换风力发电系统-功率-控制.TM614中国版本图书馆 CIP 数据核字（2012）第 080243 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：付承桂 责任编辑：江婧婧 版式设计：霍永明责任校对：马精明 责任印制：刘 岚刘志文 封面设计2015 年 4 月第 1 版第 2 次印刷169mm 239mm 25 印张511 千字30014000册标准书号：ISBN 978-7-111-38169-3定价：88.00元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务门户网：http：/教材网：http：/封面无防伪标均为盗版（2015.4重印）北京圣夫亚美印刷有限公司印刷译者序风能是最重要的清洁和可再生能源之一，市场前景广阔。风力发电的相关技术在国内发展迅速，已经取得了非常明显的经济和社会效益。此前，我们有幸组织翻译了加拿大 Ryerson 大学 Bin Wu 院士（本书译者中卫三民、王政、张岚和宇文博在加拿大工作学习时的导师）的 大功率变频器及交流传动 一书。2011 年，非常高兴地得知本书英文原版书的出版，征得 Bin Wu院士、郎永强博士等作者的同意，我们非常荣幸地有这个宝贵的机会进行本书的翻译工作。Bin Wu 院士等作者博学的知识、严谨的治学态度、缜密的思考、精益求精的作风、一丝不苟的精神在本书中都得到了充分的体现。也非常希望通过我们的翻译工作，能对国内风电技术的发展起到促进作用。本书的翻译初稿，其中的前言、缩略语及第 1、2 章，由卫三民进行翻译；周京华博士翻译了第 3、7 章；苏位峰博士翻译了第 4 章；张岚翻译了第 5 章、所有的附录及习题；王政博士翻译了第 6、8 章；宇文博博士翻译了第 9 章。此后，卫三民和周京华、王政、苏位峰等一起对所有的译稿进行了反复的阅读和大量的修改完善。在此，非常感谢清华大学的李发海教授（卫三民及苏位峰博士在攻读博士学位时的导师），对本书所有翻译工作给予的指导，并在百忙之中对本书所进行的仔细审校及提出的详细修改意见。最后，衷心感谢郎永强博士，感谢他精益求精、细致入微地进行了大量的中英文对照工作；衷心感谢李崇坚博士、李耀华博士、翁海清博士、郭晓明博士、郭伟彰高工、张和平、黄小光、冯乾等，感谢他们在局部章节的审核过程中给予的具体修改意见和建议；衷心感谢西安西电电力系统有限公司，以及云南电网北京能源新技术研究发展中心的各位领导和同仁，感谢他们在多次的翻译研讨会中提供的便利和支持。本书的翻译限于译者的水平，可能存在一些翻译不准确或不当的地方，非常欢迎大家提出宝贵的修改意见或建议。卫三民，周京华，王政，张岚，苏位峰，宇文博于北京原 书 前 言风能是最重要的清洁和可再生能源之一，资源丰富，用之不竭。在过去的十多年间，相关技术得到了迅速发展。把自然界风的动能转变为可供人类使用的电能，是个综合多学科的技术，涉及空气动力学、机械制造、电机设计、电力电子、控制理论及并网系统等。介绍相关内容的书籍众多。本书从电气工程专业的角度，重点介绍风力发电系统中的电力变换装置及其控制策略。书中对风力发电机、系统总体方案、电力变换装置、控制实现方法，以及各种风力发电系统的动态及稳态模型及性能等，都进行了详细而深入的分析。本书共包括 9 章。第 1 章从宏观上介绍了风力发电总体情况，包括风电的市场、分类和系统成本，以及电网系统并网导则等。第 2 章介绍了风力发电系统的典型构成及控制策略，包括具体组成部分、空气动力学原理、变桨距控制技术、失速控制技术，及最大功率点跟踪实现策略等。第 3 章给出了各种常用的风力发电机，包括笼型异步发电机、双馈异步发电机及同步发电机等，同时给出了各自的动态和稳态模型，为后续各章的深入分析奠定了基础。第 4 章分析了风力发电系统中的各种变流器及其 PWM（脉冲宽度调制）控制策略。重点介绍了大功率的电压源和电流源变流器。第 5 章介绍了已经投入实际运行的各主要风力发电系统的组成及特点。第 6 章给出了基于定速异步发电机的风力发电系统，尤其是其相关的并网方式、双速运行模式及无功功率补偿方法等。第 7 章主要分析了基于变速笼型异步发电机的风力发电系统，重点介绍了系统组成，以及磁场定向控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）等。第 8 章给出了基于双馈异步发电机的风力发电系统，主要讨论了亚同步运行模式和超同步运行模式。第 9 章讨论了基于同步发电机的风力发电系统，详细介绍和比较了零 d 轴电流控制方法、单位电流最大转矩控制方法和单位功率因数控制方法等。为了帮助读者更好地理解各种风力发电系统的原理，及各种控制策略的实现方法，各章中针对性地讨论了 30 多个实例，且在附录中给出了 100 多个问题并给出了解答。因此，本书不但可作为学术研究和工程设计人员的参考，也完全可用作研究生或大学四年级本科生的教材。最后，衷心感谢 Ryerson 大学 LEDAR 实验室的在读博士生 Venkata Yaramasu，感谢他在附录及第4 章前3 小节写作中的辛苦工作！感谢在 LEDAR 实验室工作过及正在工作的博士后、博士和硕士们，尤其是 Victor F.Liu 博士、Moya J.Dai 博士、朱宁、Ehsan Al-Nabi 等，感谢他们在本书创作过程中提供的支持！感谢 Wiley/IEEE 出版社的各位编辑们，感谢他们在本书出版过程中的辛苦工作和提供的帮助！最后，衷心感谢我们的家人，感谢她们/他们在本书完成过程中给予的关心、理解和支持！Bin Wu，Yongqiang Lang，Navid Zargari，Samir Kouro于加拿大多伦多目录译者序原书前言符号表缩略语第 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/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 风力发电系统的功率变换与控制 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