双馈感应电机在风力发电中的建模与控制

译者序前言第1章风力发电系统概述11.1引言11.2恒速风力机（FSWT）的基本概念11.2.1风力机的基本介绍11.2.2风力机的功率控制41.2.3风力机空气动力学61.2.4商用风力机实例81.3变速风力机(VSWTs)91.3.1变速风力机的建模101.3.2变速风力机的控制系统131.3.3变速风力机的电气系统191.4基于DFIM VSWT的风力发电系统221.4.1DFIM VSWT的电气配置221.4.2风电场的电气配置281.4.3WEGS控制结构301.5并网导则要求341.5.1频率与电压运行范围341.5.2无功功率与电压控制能力351.5.3有功功率控制361.5.4电力系统稳定器功能391.5.5低电压穿越（LVRT）391.6电压跌落与LVRT391.6.1电力系统401.6.2电压跌落421.6.3西班牙的验证程序461.7DFIMVSWT制造商481.7.1工业解决方案：风力机制造商481.7.2一台2.4MW风力机的建模611.7.3发电机稳态运行点与功率变换器容量671.8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732.1引言732.2基于两电平拓扑的背靠背变换器742.2.1网侧系统742.2.2转子侧变换器及dv/dt滤波器802.2.3直流母线832.2.4可控开关驱动脉冲的产生方法842.3多电平VSC拓扑结构942.3.1三电平中点钳位式VSC拓扑结构(3L-NPC)962.4网侧系统的控制1082.4.1网侧系统的稳态模型1082.4.2网侧系统的动态模型1122.4.3网侧系统的矢量控制1162.5总结123参考文献123第3章DFIM稳态模型1253.1引言1253.2稳态等效电路1253.2.1DFIM基本概念1253.2.2稳态等效电路1263.2.3相量图1303.3不同运行工况下的速度和功率流向1323.3.1有功功率的基本关系1323.3.2转矩表达式1343.3.3无功功率表达式1353.3.4有功功率、转矩和速度之间的近似关系1353.3.5四象限运行1363.4标幺化1383.4.1基准值1383.4.2变量和参数标幺化1393.4.3标幺制下的DFIM稳态方程1403.4.4例3.1：一台2MWDFIM参数1413.4.5例3.2：不同功率等级的DFIM参数1433.4.6例3.3：2MWDFIM相量图以及标幺化分析1443.5稳态工作曲线：性能评估1463.5.1转子电压比：频率、幅值和相位1473.5.2转子电压比：电压幅值、频率比值（V-F）恒定1533.5.3转子电压改变：控制定子侧无功和转矩1553.6DFIM应用于风力发电设备的设计要求1613.7总结164参考文献165第4章DFIM动态模型1664.1引言1664.2DFIM动态建模1664.2.1αβ坐标系下模型1684.2.2dq坐标系下模型1704.2.3αβ模型的状态空间表示1714.2.4dq模型的状态空间表示1834.2.5稳态模型和动态模型间的关系1874.3总结190参考文献190第5章DFIM测试1925.1引言1925.2DFIM模型参数的离线估算1925.2.1对DFIM模型参数的考虑1935.2.2采用VSC估算定转子电阻1955.2.3基于VSC的漏感估算1985.2.4空载条件下采用VSC估测励磁电感和铁损2035.3总结208参考文献208第6章电压跌落时DFIM的特性分析2106.1引言2106.2转子感应电动势2106.3正常工况运行特性2116.4三相电压跌落2126.4.1转子开路电压完全跌落的情况2136.4.2转子开路部分电压跌落的情况2166.5不对称电压跌落2216.5.1对称分量法基本原理2226.5.2对称分量法应用于DFIM2246.5.3单相电压跌落2266.5.4相间电压跌落2306.6转子电流的影响2326.6.1三相电压完全跌落时转子电流的影响2326.6.2一般情况下的转子电压2356.7电压跌落期间双馈感应电机的等效模型2376.7.1线性等效模型2386.7.2非线性等效模型2396.7.3电网模型2406.8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2437.1引言2437.2矢量控制2437.2.1电流指令值的计算2447.2.2电流指令值的限制2467.2.3电流控制环2477.2.4坐标定向2507.2.5完整控制系统2517.3矢量控制的小信号稳定性2517.3.1坐标定向的影响2527.3.2控制器调节的影响2567.4电网电压不平衡条件下矢量控制的行为2627.4.1坐标定向2627.4.2转子侧变换器的饱和2627.4.3定子电流和电磁转矩的振荡2637.5电压跌落下矢量控制的行为2657.5.1轻微电压跌落2667.5.2严重电压跌落2707.6电网扰动下的控制方案2727.6.1去磁电流2727.6.2双重控制策略2797.7总结288参考文献289第8章DFIM直接控制技术2928.1引言2928.2DFIM直接转矩控制（DTC）2938.2.1基本原理2938.2.2控制框图2958.2.3例8.1:2MWDFIM直接转矩控制3028.2.4转子电压矢量对DFIM影响的研究3038.2.5例8.2:采用DTC下2MWDFIM的频谱分析3088.2.6转子磁链幅值参考值的产生3088.3DFIM直接功率控制（DPC）3118.3.1基本原理3118.3.2控制框图3128.3.3例8.3:2MWDFIM直接功率控制3168.3.4转子电压矢量对DFIM影响的研究3178.4DFIM定开关频率的预测直接转矩控制（P-DTC）3208.4.1基本原理3218.4.2控制框图3228.4.3例8.4：开关频率800Hz时，15kW和2MWDFIM的P-DTC3308.4.4例8.5：4kHz开关频率下15kWDFIM的P-DTC策略3338.5DFIM定开关频率的预测直接功率控制（P-DPC）3338.5.1基本原理3348.5.2控制框图3358.5.3例8.6：定开关频率1kHz下15kWDFIM的P-DPC3398.6基于多电平变换器的DFIM定开关频率P-DPC和P-DTC3418.6.1前言3418.6.2基于3L-NPCVSC的DFIMP-DPC3428.6.3基于3L-NPCVSC的DFIMP-DTC3578.7电网电压扰动下基于直接控制技术的控制解决方案3618.7.1前言3618.7.2不平衡电网电压下的DPC策略3618.7.3不平衡电网电压下的DTC策略3668.7.4电压跌落下的DTC3728.8总结377参考文献377第9章低电压穿越（LVRT）的硬件解决方案3819.1引言3819.2与LVRT相关的并网导则3819.3Crowbar3839.3.1主动型Crowbar的设计3849.3.2三相电压跌落的响应特性3869.3.3不对称跌落的响应特性3879.3.4Crowbar和控制算法的协调3909.4制动斩波器3919.4.1独立安装的制动斩波器性能3929.4.2Crowbar和制动斩波器的配合3939.5其他保护技术3949.5.1负载代替3949.5.2风电场解决方案3959.6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39810.1简介39810.2估算器和观测器结构39810.2.1一般考虑39810.2.2用于转子侧DPC的定子有功和无功功率估算39910.2.3转子侧矢量控制中基于定子电压的定子磁链估算器40010.2.4转子侧矢量控制中基于定子电压的定子磁链同步40210.2.5转子侧DPC、DTC和矢量控制所需的定转子磁链估算器40310.2.6定转子磁链全阶观测器40310.3DFIM风电机组的起动40610.3.1编码器整定40810.3.2与电网同步41210.3.3DFIM风电机组序列化起动过程41610.4总结425参考文献425第11章基于DFIM的独立发电系统42711.1引言42711.1.1独立运行DFIM系统的要求42711.1.2直流侧带储能装置的DFIM特性42811.1.3滤波电容的选择43011.2独立运行下DFIM系统的数学描述43211.2.1独立运行下DFIM模型43211.2.2基于电流源馈电的独立运行DFIM模型43611.2.3独立运行DFIM的极坐标模型43911.2.4基于电流源馈电的独立运行DFIM的极坐标模型44311.3定子电压控制44511.3.1基于PLL的幅值和频率控制44511.3.2不平衡负载条件下独立运行系统电压不对称校正45211.3.3非线性负载条件下电压谐波抑制45511.4并网前独立运行系统采用PLL控制同步45811.5总结461参考文献461第12章风力发电的新趋势46312.1引言46312.2风力发电未来的挑战：什么是必须创新的46312.2.1风电场位置的选取46412.2.2能量、效率与可靠性的增加46512.2.3电网一体化46612.2.4环境问题46612.3技术趋势：如何实现46712.3.1风电机组的机械结构46712.3.2功率传输技术46812.4总结478参考文献479附录482A.1空间矢量表达482A.1.1空间矢量表示法482A.1.2不同坐标系之间的变换484A.1.3功率表达486A.2考虑铁损的DFIM动态建模487A.2.1αβ坐标系中的模型488A.2.2dq坐标系中的模型490A.2.3用状态空间表示的αβ模型491参考文献493

《双馈感应电机在风力发电中的建模与控制》共12章，内容紧扣基于双馈感应电机（DFIM）的变速恒频风力发电技术，着重介绍DFIM励磁变换器控制策略、保护方案及相应的硬件系统。首先介绍风力机基本构造和电力电子变换器基本拓扑与数学模型；接着对DFIM进行稳态、动态建模和分析；在此基础上，分析和介绍了矢量控制、直接转矩控制、直接功率控制三大经典控制策略；然后分析了电网故障（包括对称和不对称故障）对DFIM的影响、采取各种控制方法的故障穿越技术以及低电压穿越硬件解决方案；最后还对风力发电的新趋势做了简要介绍。本书兼顾了技术的宏观和细节：风电机组起动并网过程、磁链观测，还探讨了孤网运行模式。　　《双馈感应电机在风力发电中的建模与控制》具有较好的理论深度，又兼备一定的工程实用背景和广度，既可作为从事新能源开发的广大高校师生特别是从事风电技术研究的研究生教材，也可供从事风电研发、生产制造和运行管理的工程技术人员参考。

适读人群 ：新能源开发的广大高校师生特别是从事风电技术研究的研究生教材、也可供从事风电研发、生产制造和运行管理的工程技术人员参考

　　
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