本书结合国内外最新技术成果和作者的工程经验，介绍具有发展前景的风力发电机组及其控制系统。引入大量工程实例，理论与实际结合，对风力发电系统主流机型的关键指标及其变流系统进行分析、设计；根据风力发电对风力发电机的要求，对电机进行优化设计，应用现代控制理论对电机的控制进行研究；结合实际工程中存在的问题，提出解决方案。本书注重实践指导，省去了复杂的数学推导，尽量做到深入浅出，通俗易懂。

前 言 用传统的化石燃料来获得能量是使全球气候变暖和环境恶化的主要因素之一。随着经济的快速发展，能源的消耗逐年增加，常规能源面临日益枯竭的窘境，迫切需要可再生能源。风能是可再生能源中最清洁、最安全的一种。风力发电技术相对于太阳能、海洋能、地热能、生物质能等可再生能源的发电技术更为成熟，成本更低，对环境的影响更小，也更具规模和商业开发条件，在电力系统中扮演着越来越重要的角色。德联邦统计局数据显示，2020年德国风力发电总量较2019年增长了5.4%，达到25.6%，而煤炭发电的比重同比下降了21.5%，仅为24.8%，风力发电首次超过了燃煤电厂提供的电力。根据芬兰风能协会的数据，目前芬兰国内规划的风电项目容量达18.5GW，建设中的有2.19GW。芬兰政府计划在2035年成为全球首个不使用化石能源的国家。从更大范围看，欧洲目前拥有超过20GW风电容量，并计划到2050年扩大10倍以上。 在世界范围内，风力发电技术快速发展，风力发电机组安装容量迅猛增长，出现了各种各样的风力发电机组，现代风力发电机组/风电场的容量也在不断增加。使用变速恒频风轮能在较宽的风速范围内捕获更多的风能，因而是目前主要的风力发电方案。目前，主要的两种变速恒频风力发电系统是直驱永磁同步（简称“直驱”）风力发电系统和双馈异步（简称“双馈”）风力发电系统。这两种发电系统都需要使用电力电子系统作为并网接口，通常使用双PWM变换器，可以对无功功率、有功功率进行解耦和单独控制，对电网可起到稳压、稳频的作用，可改善逆变器输出的电能质量。与直驱风力发电系统相比，双馈风力发电系统具有变换器装置容量小、发电机质量轻的优点，但是不可避免地要采用齿轮箱和电刷装置，降低了系统的效率和可靠性。直驱风力发电系统没有较易出故障的齿轮箱，发电机采用永磁体励磁，省去了励磁绕组，实现了发电机的无刷化，降低了发电机的铜耗，提高了系统的效率和可靠性，但是增加了发电机的体积和质量，并且需要采用全功率变换器，与同容量双馈风力发电系统相比，变换器的容量提高了约两倍。然而，全功率变换器实现了发电机和电网的解耦，降低了风力发电机组对电网故障的敏感性，从而提高了风力发电系统的低电压穿越能力。因此，在海上风力发电应用领域中，直驱风力发电系统相对于双馈风力发电系统有较大的优势，得到了广泛的应用。随着直驱风力发电机容量的增加，其体积和质量也在增加，这给运输和安装带来了困难，因此，大多数风力发电厂家采用了折中的方案，即采用增加一级齿轮箱的半直驱方式。 由于风能能量密度小、稳定性差、不能储存，因此风力发电比水力发电困难得多，在风力发电过程中存在许多关键技术。风力发电系统的两个核心是：风能的最大捕获以提高风能转换效率，以及改善电能质量。风力发电系统综合了空气动力学、机械学、电机学、电力电子技术、电力系统分析、控制理论、智能控制技术、计算机技术、微电子技术等众多学科，是一个错综复杂的系统，其控制系统也相当复杂。整个风力发电机组的控制主要包括两大部分，即风轮机的桨距角控制系统和双PWM变换器控制系统，通过这两个系统的协调控制，可实现在额定风速下的最大功率点跟踪运行和在高风速下的功率极限控制。 随着相关技术的发展，可再生能源发电并网容量不断增大，电力系统对并入电网的风力发电机组提出了更高的要求，如要求并网的风力发电机组除要满足并网的要求外，还要具有低电压穿越能力，即在电网出现故障时，风力发电机组不仅不能从电网中脱离，还要向电网提供无功功率支持，以帮助恢复电网电压。为了能够在电网故障时对流向电网的功率进行控制，对故障电压基波的正、负序分量进行快速而准确的检测是必要的，电网的同步锁相技术是低电压穿越技术研究中的一个重要方面。从电网的安全角度考虑，不仅要求风力发电机组能在机组故障和电网故障时持续运行而不退出电网，而且从可靠性和运行效率、维护成本上考虑，对风力发电机组的故障诊断和故障容错能力都提出了很高的要求，而故障诊断是故障容错的前提。 本书共分9章，主要针对目前两种主流风力发电系统—直驱风力发电系统和双馈风力发电系统，在正常运行和电网故障时的工作原理和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。第1章主要介绍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。第2章从风轮机的能量转换过程出发，介绍风轮机的功率特性，分析风轮机从风中捕获最大风能的工作原理，阐述风力发电机组的功率控制策略，最后较详细地介绍了几种最大功率点跟踪算法，为风力发电系统变换器控制策略做好铺垫。第3章从永磁同步发电机和功率变换器的数学模型出发，探讨直驱风力发电系统在正常运行条件下的工作原理与控制策略。第4章从双馈风力发电机的功率特性出发，主要探讨双馈风力发电系统中发电机侧变换器的控制策略。第5章讨论风力发电机组的并网技术，探讨提高风力发电机组低电压穿越能力的措施。第6章研究网侧变换器的同步化方法，为风力发电机组在电网故障时的运行提供同步锁相技术。第7章主要研究直驱风力发电系统在电网故障时的运行与控制策略。第8章主要研究双馈风力发电系统中风轮的两种控制策略，并对风轮控制中的转速控制器和功率控制器进行了设计。第9章介绍故障诊断的概念和故障容错的基本理论，分析风力发电系统中的常见故障和故障诊断技术，最后提出提高风力发电系统故障容错能力的措施。 为了便于读者对照学习，本书中采用MATLAB软件绘制的系统图和仿真图均使用原图，未做处理，特此说明。 湖南工程学院邓秋玲教授负责本书1~ 8章的编著，刘婷博士负责第9章的编著和本书的文字校对工作，王家堡博士负责部分图表绘制。湘电风能公司龙辛副总经理负责第1章和第2章的审稿，并提供书稿中部分工程素材。研究生廖宇琦和艾文豪参与图表绘制和校对。 本书相关的基础研究工作获得了国家自然科学基金项目（51875193）、湖南省研究生优质课程建设项目和湖南省教育厅科研项目(18K092)的资助。本书的撰写得到了湖南大学黄守道教授的悉心指导和全力支持，在此表示衷心的感谢！宜兴电机有限公司余冰副总工程师仔细审阅了第1章，提出了宝贵的意见，在此向她表示衷心的感谢！本书在撰写过程中，参考了大量的相关文献，在此对所有相关作者表示衷心的感谢！ 由于时间和水平有限，书中难免存在许多不足，恳请广大读者批评指正。 编著者 2021年10月

目 录 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 最大功率点跟踪控制策略 28 2.6.1 最佳叶尖速比控制 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 最优转矩控制 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 5.3.2 PMSG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 5.4.2 DFIG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1 151 8.2.2 控制策略2 153 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