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双馈感应电机在风力发电中的建模与控制

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双馈感应电机在风力发电中的建模与控制
出版时间:2014年
丛编项: 国际电气工程先进技术译丛
内容简介
  本书共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。本书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。
目录

译者序
前言
第1章风力发电系统概述1
1.1引言1
1.2恒速风力机(FSWT)的基本概念1
1.2.1风力机的基本介绍1
1.2.2风力机的功率控制4
1.2.3风力机空气动力学6
1.2.4商用风力机实例8
1.3变速风力机(VSWTs)9
1.3.1变速风力机的建模10
1.3.2变速风力机的控制系统13
1.3.3变速风力机的电气系统19
1.4基于DFIM VSWT的风力发电系统22
1.4.1DFIM VSWT的电气配置22
1.4.2风电场的电气配置28
1.4.3WEGS控制结构30
1.5并网导则要求34
1.5.1频率与电压运行范围34
1.5.2无功功率与电压控制能力35
1.5.3有功功率控制36
1.5.4电力系统稳定器功能39
1.5.5低电压穿越(LVRT)39
1.6电压跌落与LVRT39
1.6.1电力系统40
1.6.2电压跌落42
1.6.3西班牙的验证程序46
1.7DFIMVSWT制造商48
1.7.1工业解决方案:风力机制造商48
1.7.2一台2.4MW风力机的建模61
1.7.3发电机稳态运行点与功率变换器容量67
1.8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73
2.1引言73
2.2基于两电平拓扑的背靠背变换器74
2.2.1网侧系统74
2.2.2转子侧变换器及dv/dt滤波器80
2.2.3直流母线83
2.2.4可控开关驱动脉冲的产生方法84
2.3多电平VSC拓扑结构94
2.3.1三电平中点钳位式VSC拓扑结构(3L-NPC)96
2.4网侧系统的控制108
2.4.1网侧系统的稳态模型108
2.4.2网侧系统的动态模型112
2.4.3网侧系统的矢量控制116
2.5总结123
参考文献123
第3章DFIM稳态模型125
3.1引言125
3.2稳态等效电路125
3.2.1DFIM基本概念125
3.2.2稳态等效电路126
3.2.3相量图130
3.3不同运行工况下的速度和功率流向132
3.3.1有功功率的基本关系132
3.3.2转矩表达式134
3.3.3无功功率表达式135
3.3.4有功功率、转矩和速度之间的近似关系135
3.3.5四象限运行136
3.4标幺化138
3.4.1基准值138
3.4.2变量和参数标幺化139
3.4.3标幺制下的DFIM稳态方程140
3.4.4例3.1:一台2MWDFIM参数141
3.4.5例3.2:不同功率等级的DFIM参数143
3.4.6例3.3:2MWDFIM相量图以及标幺化分析144
3.5稳态工作曲线:性能评估146
3.5.1转子电压比:频率、幅值和相位147
3.5.2转子电压比:电压幅值、频率比值(V-F)恒定153
3.5.3转子电压改变:控制定子侧无功和转矩155
3.6DFIM应用于风力发电设备的设计要求161
3.7总结164
参考文献165
第4章DFIM动态模型166
4.1引言166
4.2DFIM动态建模166
4.2.1αβ坐标系下模型168
4.2.2dq坐标系下模型170
4.2.3αβ模型的状态空间表示171
4.2.4dq模型的状态空间表示183
4.2.5稳态模型和动态模型间的关系187
4.3总结190
参考文献190
第5章DFIM测试192
5.1引言192
5.2DFIM模型参数的离线估算192
5.2.1对DFIM模型参数的考虑193
5.2.2采用VSC估算定转子电阻195
5.2.3基于VSC的漏感估算198
5.2.4空载条件下采用VSC估测励磁电感和铁损203
5.3总结208
参考文献208
第6章电压跌落时DFIM的特性分析210
6.1引言210
6.2转子感应电动势210
6.3正常工况运行特性211
6.4三相电压跌落212
6.4.1转子开路电压完全跌落的情况213
6.4.2转子开路部分电压跌落的情况216
6.5不对称电压跌落221
6.5.1对称分量法基本原理222
6.5.2对称分量法应用于DFIM224
6.5.3单相电压跌落226
6.5.4相间电压跌落230
6.6转子电流的影响232
6.6.1三相电压完全跌落时转子电流的影响232
6.6.2一般情况下的转子电压235
6.7电压跌落期间双馈感应电机的等效模型237
6.7.1线性等效模型238
6.7.2非线性等效模型239
6.7.3电网模型240
6.8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243
7.1引言243
7.2矢量控制243
7.2.1电流指令值的计算244
7.2.2电流指令值的限制246
7.2.3电流控制环247
7.2.4坐标定向250
7.2.5完整控制系统251
7.3矢量控制的小信号稳定性251
7.3.1坐标定向的影响252
7.3.2控制器调节的影响256
7.4电网电压不平衡条件下矢量控制的行为262
7.4.1坐标定向262
7.4.2转子侧变换器的饱和262
7.4.3定子电流和电磁转矩的振荡263
7.5电压跌落下矢量控制的行为265
7.5.1轻微电压跌落266
7.5.2严重电压跌落270
7.6电网扰动下的控制方案272
7.6.1去磁电流272
7.6.2双重控制策略279
7.7总结288
参考文献289
第8章DFIM直接控制技术292
8.1引言292
8.2DFIM直接转矩控制(DTC)293
8.2.1基本原理293
8.2.2控制框图295
8.2.3例8.1:2MWDFIM直接转矩控制302
8.2.4转子电压矢量对DFIM影响的研究303
8.2.5例8.2:采用DTC下2MWDFIM的频谱分析308
8.2.6转子磁链幅值参考值的产生308
8.3DFIM直接功率控制(DPC)311
8.3.1基本原理311
8.3.2控制框图312
8.3.3例8.3:2MWDFIM直接功率控制316
8.3.4转子电压矢量对DFIM影响的研究317
8.4DFIM定开关频率的预测直接转矩控制(P-DTC)320
8.4.1基本原理321
8.4.2控制框图322
8.4.3例8.4:开关频率800Hz时,15kW和2MWDFIM的P-DTC330
8.4.4例8.5:4kHz开关频率下15kWDFIM的P-DTC策略333
8.5DFIM定开关频率的预测直接功率控制(P-DPC)333
8.5.1基本原理334
8.5.2控制框图335
8.5.3例8.6:定开关频率1kHz下15kWDFIM的P-DPC339
8.6基于多电平变换器的DFIM定开关频率P-DPC和P-DTC341
8.6.1前言341
8.6.2基于3L-NPCVSC的DFIMP-DPC342
8.6.3基于3L-NPCVSC的DFIMP-DTC357
8.7电网电压扰动下基于直接控制技术的控制解决方案361
8.7.1前言361
8.7.2不平衡电网电压下的DPC策略361
8.7.3不平衡电网电压下的DTC策略366
8.7.4电压跌落下的DTC372
8.8总结377
参考文献377
第9章低电压穿越(LVRT)的硬件解决方案381
9.1引言381
9.2与LVRT相关的并网导则381
9.3Crowbar383
9.3.1主动型Crowbar的设计384
9.3.2三相电压跌落的响应特性386
9.3.3不对称跌落的响应特性387
9.3.4Crowbar和控制算法的协调390
9.4制动斩波器391
9.4.1独立安装的制动斩波器性能392
9.4.2Crowbar和制动斩波器的配合393
9.5其他保护技术394
9.5.1负载代替394
9.5.2风电场解决方案395
9.6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398
10.1简介398
10.2估算器和观测器结构398
10.2.1一般考虑398
10.2.2用于转子侧DPC的定子有功和无功功率估算399
10.2.3转子侧矢量控制中基于定子电压的定子磁链估算器400
10.2.4转子侧矢量控制中基于定子电压的定子磁链同步402
10.2.5转子侧DPC、DTC和矢量控制所需的定转子磁链估算器403
10.2.6定转子磁链全阶观测器403
10.3DFIM风电机组的起动406
10.3.1编码器整定408
10.3.2与电网同步412
10.3.3DFIM风电机组序列化起动过程416
10.4总结425
参考文献425
第11章基于DFIM的独立发电系统427
11.1引言427
11.1.1独立运行DFIM系统的要求427
11.1.2直流侧带储能装置的DFIM特性428
11.1.3滤波电容的选择430
11.2独立运行下DFIM系统的数学描述432
11.2.1独立运行下DFIM模型432
11.2.2基于电流源馈电的独立运行DFIM模型436
11.2.3独立运行DFIM的极坐标模型439
11.2.4基于电流源馈电的独立运行DFIM的极坐标模型443
11.3定子电压控制445
11.3.1基于PLL的幅值和频率控制445
11.3.2不平衡负载条件下独立运行系统电压不对称校正452
11.3.3非线性负载条件下电压谐波抑制455
11.4并网前独立运行系统采用PLL控制同步458
11.5总结461
参考文献461
第12章风力发电的新趋势463
12.1引言463
12.2风力发电未来的挑战:什么是必须创新的463
12.2.1风电场位置的选取464
12.2.2能量、效率与可靠性的增加465
12.2.3电网一体化466
12.2.4环境问题466
12.3技术趋势:如何实现467
12.3.1风电机组的机械结构467
12.3.2功率传输技术468
12.4总结478
参考文献479
附录482
A.1空间矢量表达482
A.1.1空间矢量表示法482
A.1.2不同坐标系之间的变换484
A.1.3功率表达486
A.2考虑铁损的DFIM动态建模487
A.2.1αβ坐标系中的模型488
A.2.2dq坐标系中的模型490
A.2.3用状态空间表示的αβ模型491
参考文献493

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