本书主要内容涉及直驱永磁型变速恒频风力发电系统的运行控制基础，直驱永磁风力发电机系统的建模和控制技术，永磁同步风力发电机原理、系统化匹配设计技术和齿槽转矩削弱技术，理想电网条件下永磁同步风力发电系统的矢量控制，以及有功、无功功率解耦调节和最大风能捕获追踪运行。书中还就对称电网故障下直驱永磁风力发电系统的低电压穿越运行，小值不平衡电网故障下PMSG的运行理论，直驱永磁风电机组在电网电压不对称下的穿越运行，电网故障下锁相环技术，同时还对电网电压正常与故障下的预测直接功率控制技术作了深入探讨，完善了并网型直驱永磁风力发电系统的基础理论、设计方法与运行控制策略等方面的研究。 本书可作为新能源开发及风电技术专业的研究生教材，也可供从事风电产品研发、生产制造和运行管理的研究人员及工程技术人员参考。

前 言 风力发电是最清洁最安全的能源供应方式，目前世界风力发电发展速度超过其他新能源发展。风力发电蕴藏总量巨大，开发利用难度低，可循环使用，可建在荒芜地区及海上，不占用宝贵的土地资源，且随着技术的不断进步及产业规模的扩大，风力发电的成本一直不断下降，已具备和传统能源竞争的能力。同时各国政府也制定了各种优惠政策，大力扶持风电产业的发展，有理由相信未来风电必然成为世界上至关重要的清洁能源。 尽管近年来我国的风电产业获得了迅猛发展，然而因起步较晚，总体水平仍落后于国外。兆瓦级直驱永磁风力发电机作为能量转化的核心装置，与传统并网运行同步发电机相比，存在其独特性，如体积庞大、低转速运行、齿槽转矩效应明显、制造难度极大等难点，并且发电机本身受到机侧变流器的控制，在运行特性上与一般直接并网的恒速永磁发电机或者电励磁同步发电机有很大区别，因此急须突破直驱永磁风力发电机的设计理论和设计方法。由于风能间歇性大、稳定性差，直驱永磁风力发电变速恒频并网过程中存在许多关键的技术问题。并且电网运营商从电网安全角度出发，提出了风电机组在外部电网故障时还应有不脱网运行（穿越）能力。目前我国现有的直驱式永磁同步风电机组控制仅局限于平衡电网下运行，但真实的电网时刻有可能存在着电压瞬变及不对称故障。直驱式永磁同步风电机组变速恒频运行采用理想大电网条件下的控制策略，不能适应我国风电机组一般所并弱电网的现实，也不能从控制上保证风电系统的运行安全，因此，必须建立适应故障穿越的控制新模型，确立新的控制策略和技术。 在此背景下，本书选择直驱式永磁同步风力发电机为研究对象，建立了直驱永磁发电机特有的设计模型和程序，有效地实现了电机参数与变流器参数和控制策略的优化匹配。提出了以重复齿槽转矩单元为最小偏移模块的齿槽转矩削弱方法，有效削弱了齿槽转矩。利用空间矢量法建立了直驱式永磁同步风力发电机的统一数学模型，然后在此模型基础上研究了电网电压正常情况下永磁同步风力发电系统的矢量控制，有功、无功功率解耦调节和最大风能捕获追踪运行。提出了电网电压对称跌落、电网稳态小值不平衡与电网发生不平衡故障时的直驱式永磁同步风力发电系统的控制策略，并对电网正常和故障下的预测直接功率控制技术进行了深入研究。 本书对于从事风电机组，特别是直驱型风电机组研发、生产和管理的研究人员、技术人员有很好的指导作用，同时对高等院校相关专业的广大师生也是一本理论和工程兼顾的高水平教材。 本书由湖南大学风力发电团队黄守道教授、罗德荣副教授、高剑老师共同撰写。肖磊、邓秋玲、刘婷、叶虹志等对本书的研究成果做出了重要贡献。特别感谢中国工程院顾国彪院士、美国俄亥俄州立大学徐隆亚教授、丹麦奥尔堡大学陈哲教授，他们在百忙之中对本书提出了建设性指导意见。撰写过程中得到了湘潭电机股份有限公司的大力支持，在此一并表示衷心感谢。 对于本书中存在的错误和不妥之处，恳请广大读者不吝指正。 2014年12月

目 录 第1章 绪论 1 1.1 风力发电技术背景 1 1.1.1 风力发电的发展概况[1-6] 1 1.1.2 风力发电系统的主要类型及发展现状 3 1.1.3 风力发电技术主要发展趋势 6 1.2 直驱永磁同步风力发电系统的拓扑结构[7-11] 7 1.3 直驱永磁风力发电机及其设计技术研究现状 9 1.3.1 直驱永磁风力发电机的主要类型[12-14] 9 1.3.2 永磁电机设计与分析方法[15-22] 11 1.3.3 永磁风力发电机研究现状[23-43] 12 1.4 直驱永磁同步风力发电机控制方法研究现状 14 1.4.1 理想电网条件下直驱永磁同步发电机控制方法f [44-45] 14 1.4.2 电网故障下直驱永磁风力发电机控制方法[46-51] 16 参考文献 18 第2章 直驱永磁风力发电系统运行原理 22 2.1 直驱永磁风力发电系统结构及基本原理 22 2.2 直驱永磁风力发电系统建模 23 2.2.1 风力机原理及特性 23 2.2.2 直驱永磁发电机建模 25 2.2.3 机侧PWM变流器的数学模型 33 2.2.4 网侧PWM变流器的数学模型 35 2.3 直驱永磁风力发电系统的控制 38 2.3.1 机组功率控制策略 38 2.3.2 机侧变流器控制策略 42 2.3.3 网侧变流器控制策略 49 2.3.4 直驱永磁同步风力发电系统仿真分析 53 2.4 直驱永磁风力发电系统并网控制 71 2.4.1 风力发电系统并网要求 71 2.4.2 直驱永磁风力发电系统并网过程 74 参考文献 74 第3章 直驱永磁风力发电机的运行特性与电磁设计 76 3.1 PWM变流器控制下直驱永磁风力发电机运行特性 76 3.1.1 PWM变流器对直驱永磁风力发电机的约束分析 76 3.1.2 isd=0控制策略下直驱永磁风力发电机运行特性 77 3.1.3 恒端电压控制策略下直驱永磁风力发电机运行特性 79 3.1.4 单位功率因数控制策略下直驱永磁风力发电机运行特性 80 3.2 直驱永磁风力发电机参数化分析 82 3.2.1 极数对直驱永磁风力发电机的影响 82 3.2.2 极数/槽数匹配对直驱永磁风力发电机的影响 89 3.2.3 磁极参数对直驱永磁风力发电机的影响 92 3.2.4 匝数对直驱永磁风力发电机的影响 101 3.3 变流器约束下直驱永磁风力发电机的电磁设计 104 3.3.1 经典同步发电机设计与分析方法[5] 104 3.3.2 PWM整流器控制下直驱永磁风力发电机系统系统化设计 方法 106 3.3.3 直驱永磁风力发电机设计实例 109 3.3.4 2MW直驱永磁风力发电机仿真分析 121 3.3.5 直驱永磁风力发电机试验 128 3.4 直驱永磁风力发电机齿槽转矩及其削弱 131 3.4.1 永磁电机齿槽转矩产生机理及削弱原理 131 3.4.2 齿槽转矩削弱的基本方法[16~18] 136 3.4.3 基于重复单元磁极偏移削弱齿槽转矩方法 145 参考文献 159 第4章 电网故障下直驱永磁风力发电机组的运行 160 4.1 电网电压对称跌落下直驱永磁风力发电机组的控制 160 4.1.1 电网电压跌落概念 160 4.1.2 电网电压跌落对直驱永磁风力发电机组的影响 162 4.1.3 直驱永磁风力发电机组低电压穿越措施 164 4.1.4 其他辅助策略 172 4.1.5 电压跌落检测方法 173 4.2 电网电压小值不平衡下直驱永磁风力发电机组的控制 174 4.2.1 电网电压小值不平衡时网侧变流器的建模 175 4.2.2 不平衡分量正负序分解 178 4.2.3 直驱型永磁风力发电系统的电网同步化方法 180 4.2.4 电网电压小值不平衡时网侧变流器的控制 183 4.2.5 直流侧母线电压二倍电网频率稳态波动条件下机侧变流器 的控制 192 4.3 电网电压不对称故障下直驱永磁风力发电机组的控制 194 4.3.1 电网电压不对称故障下直驱永磁风力发电机组的控制 195 4.3.2 仿真分析 202 4.3.3 实验分析 210 参考文献 216 第5章 直驱永磁风力发电系统的直接功率控制 217 5.1 瞬时功率理论 217 5.1.1 电功率理论的概念及其发展过程 217 5.1.2 传统电功率定义 218 5.1.3 瞬时功率定义与计算[18] 221 5.2 传统直接功率控制策略 223 5.2.1 基于电压定向的直接功率控制（V-DPC） 223 5.2.2 基于虚拟磁链定向的直接功率控制[20,23] 228 5.3 预测直接功率控制策略 234 5.3.1 预测控制概述 234 5.3.2 网侧变流器模型预测直接功率控制 235 5.3.3 无差拍预测直接功率控制[12] 237 5.4 直驱永磁风力发电系统的直接功率控制 245 5.4.1 理想电网条件下直驱永磁风力发电系统的直接功率控制 245 5.4.2 电网不对称故障下直驱永磁风力发电系统的直接功率控制 253 参考文献 261