风力发电系统控制原理

当前，环境污染与能源转型已经成为社会发展面临的两大重要问题。以煤炭和石油为代表的传统化石能源的大量消费不仅严重污染了人类的生存环境，而且其可采储量也日趋枯竭。因此,大规模开发利用清洁无污染的可再生能源、转向可持续发展的能源战略已经逐渐成为世界各国的共识。可再生能源是指从持续不断的自然循环过程中得到的能量来源,是一种取之不尽、用之不竭、自动再生的能源形式，普遍具有对环境友好、资源分布广泛、适宜就地开发利用等特点。目前，可再生能源主要包括风能、太阳能、水能、地热能、生物质能、海洋能等能源形式。
    我国的可再生能源资源分布地域广阔，储量十分巨大，发展可再生能源产业的条件得天独厚。自2006年颁布《中华人民共和国可再生能源利用法》以来，我国的风能产业加速发展，不断赶超丹麦、西班牙、德国和美国等先行国家，现已成为风力发电世界大国。截至2018年底，我国的并网型风电机组累计装机容量达到210GW，年发电量达到366TW•h，分别占全国电力系统的11％和5％，每年可节约标准煤约15亿t，减少二氧化碳排放量超过36亿t，减少二氧化硫排放量超过1098万t，减少氮氧化物排放量超过549万t，并提供超过50万个就业岗位，带来良好的经济、环境和社会效益。
目前，风力发电被认为是技术成熟、大规模开发条件和商业化发展前景的可再生能源技术形式，其发电成本已明显低于化石能源、核能、燃气、太阳能等多种主要能源形式，具备了平价上网的竞争力。风力发电容量的迅速扩大是以风力发电系统技术提高和性能改善为基础的。风力发电系统经历了由单机运行到多机并网、由定速到变速、由定桨距到变桨距、由陆地到海上的发展过程，单机容量不断扩大。为了充分利用风力资源，进一步提高风力发电的经济性，可以预见在未来一段时间内风电机组的单机容量仍将向大型化方向发展，同时海上风电场将获得更大的发展空间。
    自20世纪80年代以来，风力发电技术蓬勃发展，引起众多的科研工作者的关注和兴趣，积累了大量的文献，成果也极为丰硕。尤其是近年来，全球各国对风力发电技术投入巨大，我国也已成为世界的风力发电制造基地和市场。清华大学电机工程系电力电子及电机控制研究室从20世纪90年代开始和国内有关单位一起从事风力发电系统的研究，取得了一些有价值的研究成果，推广了一批较成熟的技术，引起了国内有关部门和应用单位的重视。
本书希望，一方面系统地介绍风力发电系统的工作原理，为读者进一步深入研究该技术打下基础，另一方面较为全面地介绍这类系统的建模和控制方法，以使读者在解决实际问题中加以利用。此外，对目前国际上较新的研究课题，如中压永磁同步风电系统等内容，本书也给予了充分的重视，希望读者对此给予关注，从而推动风力发电系统的研究进一步向前发展。
    全书共分9章。第1章简述可再生能源与风力发电的发展历史、基本原理和值得关注的若干问题。第2章主要介绍双馈风力发电系统的数学模型与建模方法。第3章重点介绍得到广泛应用和研究的理想电网条件下的双馈风电系统的控制策略，包括双馈风力发电机的矢量控制和网侧变换器的矢量控制。对双馈发电机直接功率控制策略和预测控制策略，本章也有介绍。第4章给出非理想电网条件下双馈风电系统的运行特性，包括电网故障类型及对风电系统的影响。第5章介绍双馈风电系统低电压穿越技术及其控制和保护策略。第6章介绍不对称电网条件下双馈风电系统的控制策略，包括模型预测控制和多目标控制。第7章介绍永磁同步风电系统数学模型、控制原理及弱电网条件下的运行控制。第8章介绍基于三电平变换器的中高压永磁同步风电系统和无变压器中高压永磁同步风电系统。第9章则介绍基于高压直流输电的海上风电系统，包括基于MMC和基于MFT的离岸风场高压直流输电系统。
    本书总结了我们实验室多年来在风力发电理论和实践中的研究成果。我的不少同事和研究生为本书的内容做出了重要贡献，他们是柴建云教授，在实验室早开启了新一代风力发电系统的研究工作，每位博士的论文工作都离不开柴老师的耐心启发和热心指导；姜新建副教授，做了大量总体控制和工程领域的工作；许烈副教授，从英国回到清华伊始就开始了风力发电这个全新领域的研究；苑国锋博士，实验室个从事风力发电研究的博士，做了大量开创性的工作；郑艳文博士，对电网故障下的风力发电系统的运行特性，尤其是低电压穿越技术提出了独到的见解；原熙博博士，开拓了永磁同步风电系统的研究领域，对弱电网运行和中压系统情有独钟；彭凌博士，完成了双馈风力发电系统的图像化建模与低电压穿越控制研究；菲拉斯博士，完成了基于高压直流输电的海上风电系统研究；马宏伟博士，完成了风电系统不对称电网条件下的运行控制、预测控制及多目标控制。本书的整理和撰写工作由目前工作于北京理工大学的马宏伟博士完成。本书大纲的制定和全书的统稿工作由李永东完成。
    在本书的选题和出版过程中，得到了机械工业出版社的大力支持，我们在这里深表感谢。对曾在本实验室从事相关研究工作、现已毕业的硕士生和博士生们，作者也在此表示深深的谢意。后，我还要感谢我的妻儿，是他们给了我无私的支持。
由于作者学识所限和时间的紧迫，本书在风力发电技术领域中一定还有很多内容没有得到反映，恳请读者谅解。书中内容也难免有不当和错误之处，敬请有关专家和各位读者给予批评和指正。

                                                                                 李永东2019年11月于清华大学

1974年美国学者W.Newell提出了电力电子技术学科的定义，电力电子技术是由电气工程、电子科学与技术和控制理论三个学科交叉而形成的。电力电子技术是依靠电力半导体器件实现电能的高效率利用，以及对电机运动进行控制的一门学科。电力电子技术是现代社会的支撑科学技术，几乎应用于科技、生产、生活各个领域：电气化、汽车、飞机、自来水供水系统、电子技术、无线电与电视、农业机械化、计算机、电话、空调与制冷、高速公路、航天、互联网、成像技术、家电、保健科技、石化、激光与光纤、核能利用、新材料制造等。电力电子技术在推动科学技术和经济的发展中发挥着越来越重要的作用。进入21世纪，电力电子技术在节能减排方面发挥着重要的作用，它在新能源和智能电网、直流输电、电动汽车、高速铁路中发挥核心的作用。电力电子技术的应用从用电，已扩展至发电、输电、配电等领域。电力电子技术诞生近半个世纪以来，也给人们的生活带来了巨大的影响。
目前，电力电子技术仍以迅猛的速度发展着，电力半导体器件性能不断提高，并出现了碳化硅、氮化镓等宽禁带电力半导体器件，新的技术和应用不断涌现，其应用范围也在不断扩展。不论在全世界还是在我国，电力电子技术都已造就了一个很大的产业群。与之相应，从事电力电子技术领域的工程技术和科研人员的数量与日俱增。因此，组织出版有关电力电子新技术及其应用的系列图书，以供广大从事电力电子技术的工程师和高等学校教师和研究生在工程实践中使用和参考，促进电力电子技术及应用知识的普及。
在20世纪80年代，电力电子学会曾和机械工业出版社合作，出版过一套“电力电子技术丛书”，那套丛书对推动电力电子技术的发展起过积极的作用。近，电力电子学会经过认真考虑，认为有必要以“电力电子新技术系列图书”的名义出版一系列著作。为此，成立了专门的编辑委员会，负责确定书目、组稿和审稿，向机械工业出版社推荐，仍由机械工业出版社出版。
本系列图书有如下特色：
本系列图书属专题论著性质，选题新颖，力求反映电力电子技术的新成就和新经验，以适应我国经济迅速发展的需要。
理论联系实际，以应用技术为主。
本系列图书组稿和评审过程严格，作者都是在电力电子技术线工作的专家，且有丰富的写作经验。内容力求深入浅出，条理清晰，语言通俗，文笔流畅，便于阅读学习。
本系列图书编委会中，既有一大批国内资深的电力电子专家，也有不少已崭露头角的青年学者，其组成人员在国内具有较强的代表性。
希望广大读者对本系列图书的编辑、出版和发行给予支持和帮助，并欢迎对其中的问题和错误给予批评指正。

电力电子新技术系列图书
编辑委员会

全书共分9章。第1章简述可再生能源与风力发电的发展历史、基本原理和值得关注的若干问题。第2章主要介绍双馈风力发电系统的数学模型与建模方法。第3章重点介绍得到广泛应用和研究的理想电网条件下的双馈风电系统的控制策略，包括双馈风力发电机的矢量控制和网侧变换器的矢量控制。对双馈发电机直接功率控制策略和预测控制策略，本章也有介绍。第4章给出非理想电网条件下双馈风电系统的运行特性，包括电网故障类型及对风电系统的影响。第5章介绍双馈风电系统低电压穿越技术及其控制和保护策略。第6章介绍不对称电网条件下双馈风电系统的控制策略，包括模型预测控制和多目标控制。第7章介绍永磁同步风电系统数学模型、控制原理及弱电网条件下的运行控制。第8章介绍基于三电平变换器的中高压永磁同步风电系统和无变压器中高压永磁同步风电系统。第9章则介绍基于高压直流输电的海上风电系统，包括基于MMC和基于MFT的离岸风场高压直流输电系统。

作者 马宏伟  长期从事风电变流器高性能控制领域的研究工作。提出了直接虚功率控制方法，在保持传统直接功率控制的优势的同时，解决了并网前后控制算法平滑切换的问题，改善了双馈风机并网过程中的动态特性；将模型预测控制（MPC）应用于风电控制领域，获得了良好的动静态特性和参数鲁棒性，尤其保证了其在电压跌落、不平衡等故障电网条件下的不间断运行；针对不平衡电网条件下的双馈风电系统，提出了多目标控制策略，通过对一个参数的调节获得不同的优化控制目标。多次参与兆瓦级风电系统的设计、研发与现场调试，先后发表论文10余篇，SCI收录1篇，EI收录14篇。
第二作者 李永东 清华大学电机工程及应用电子技术系教授，法国图卢兹国家理工学院客座教授，哈尔滨理工大学客座教授，“中达学者”，“天山学者”特聘教授。长期从事大容量电力电子变换器及其在调速节能领域的应用，交流电机的全数字化控制及其在数控机床、高铁电力牵引和舰船电力推进中的应用，新能源发电等。主持国家自然基金项目4项、国家863项目和支撑计划项目各1项，中英、法、美、日、韩等国际合作交流项目10项，台达科教基金一般项目和重点项目各1项、其他横向及军工项目几十项。完成我国首台工业化高压大容量变频器的研制和生产，推广后产生巨大经济和社会效益。先后获得国家*科技成果进步二等奖、中国电工技术学会科技进步奖、IET（英国工程技术学会） Fellow、中国机械工程学会特等奖等。曾任“电力系统”副主任兼电力电子分室主任，清华大学研究生院培养处副处长，国际交流与合作委员会委员，新疆大学电气学院院长。现任清华大学电力电子工程研究中心常务副主任，新概念汽车研究院副院长，IEEE（国际电气电子工程师学会）高级会员，IEEE IAS Beijing Chapter Chairman（工业应用分会北京分会主席），中国电工技术学会高级会员，电力电子学会副理事长，中国电工技术学会电控装置及系统专委会副主任委员，中国自动化学会电气自动化专委会副主任委员，学术委员会主任，中国电源学会交通电气化专委会主任委员。出版作者专著3部，发表论文300多篇，其中SCI收录40余篇，EI收录100余篇。
第三作者 许烈 清华大学电机工程及应用电子技术系副教授，入选泰山产业领军人才计划，PCIM Asia技术委员会委员，IEEE会员，资源强制回收产业技术创新战略联盟专家组成员、多电飞机国际会议（2019）技术委员会主席。先后主持国家自然科学基金2项、清华大学自主科研计划1项、横向课题数项（总经费超过3000万元）。发表EI/SCI等高水平学术论文40余篇。
第四作者 柴建云 清华大学教授、博士生导师，高端装备研究院动力传动研究所所长。研究和教学领域包括新能源发电、特种电机和电力电子与电力传动等专业方向，承担和完成了多项国家973、863和科技支撑计划重大项目和自然科学基金重点项目以及数十项国际及国内校企合作研究项目。近年的学术兼职包括中国可再生能源学会理事、风能专委会委员，中国电机工程学会风力与潮汐发电专委会委员，中国电工技术学会风力发电专委会委员，中国风力机械标准委员会委员和中国微特电机标准委员会委员等。

电力电子新技术系列图书序言
前言
第1章绪论
1.1可再生能源与风力发电
1.1.1可再生能源技术的发展
1.1.2风力发电技术的发展
1.2风力发电系统概述
1.2.1风力发电系统基本原理
1.2.2典型的风力发电系统解决方案
1.3风力发电系统中值得关注的若干问题
1.3.1MPPT控制
1.3.2故障/非理想电网条件下不间断运行
1.3.3大容量中高压风电系统的结构与控制
1.3.4大规模海上风电系统的结构与控制
参考文献
第2章双馈风力发电系统数学模型与建模方法
2.1双馈电机数学模型
2.2网侧变换器数学模型
2.3图形化建模方法
2.3.1概述
2.3.2因果次序图
2.3.3宏观能量表示法
2.3.4风力机图形化建模与控制推导
参考文献
第3章理想电网条件下双馈风电系统的控制策略
3.1双馈风电系统矢量控制策略
3.1.1双馈风力发电机的矢量控制
3.1. 2网侧变换器的矢量控制
3.1.3MPPT控制
3.1.4双馈电机定子磁链观测
3.1. 5电压相位检测
3.1.6软并网技术
3.2双馈发电机直接功率控制策略
3.2.1基于PI-SVM的定子侧功率直接闭环控制
3.2.2基于滞环控制器开关状态表的定子侧直接功率控制
3.2.3双馈风力发电机的直接虚功率控制
3.3双馈风电系统模型预测控制策略
3.3.1网侧变换器模型预测控制
3.3.2双馈风力发电机模型预测控制
3.3.3基于模型预测控制的软并网方法
参考文献
第4章非理想电网条件下双馈风电系统的运行特性
4.1电网故障的类型
4.2电网故障下DFIG的运行特性
4.2.1电网对称跌落条件下DFIG的运行特性
4.2.2电网不对称故障下DFIG的运行特性
4.3电网故障下网侧变换器的运行特性
4.4电网故障对DFIG风电系统的影响
4.5现代风电系统并网规范
参考文献
第5章双馈风电系统低电压穿越技术
5.1概述
5.1.1改进控制策略的实现方法
5.1.2利用硬件保护电路的实现方法
5.2改进的控制策略
5.2.1基于动态前馈补偿的矢量控制
5.2.2基于PIR控制器的矢量控制
5.2.3考虑磁链暂态特性的模型预测控制
5.3硬件保护策略
5.3.1crowbar的设计与控制
5.3.2主动灭磁控制方法
5.3.3基于crowbar的重度电网低电压穿越策略
5.4低电压穿越算法的控制域
参考文献
第6章不对称电网条件下双馈风电系统的控制策略
6.1概述
6.2正负序分量分离与锁相环
6.2.1正负序分离方法
6.2.2不对称电网条件下的锁相环
6.3基于正反向同步坐标系的具有PI电流环的矢量控制
6.3.1基于正反向同步坐标系的网侧变换器矢量控制
6.3.2基于正反向同步坐标系的双馈电机矢量控制
6.4基于正向同步坐标系的具有PIR/MFPIR电流环的矢量控制
6.5不对称电网条件下的模型预测控制
6.5.1不对称电网条件下网侧变换器模型预测控制
6.5.2不对称电网条件下双馈电机模型预测控制
6.6多目标控制
6.6.1不对称电网条件下双馈风电系统的控制目标
6.6.2基于负序功率注入法的多目标控制
参考文献
第7章永磁同步风电系统及其弱电网运行控制
7.1永磁同步风电系统数学模型及控制原理
7.1.1永磁同步发电机数学模型
7.1.2永磁同步风电系统矢量控制
7.2弱电网条件下永磁同步风电系统的运行特性
7.2.1强电网与弱电网工作模式比较
7.2.2弱电网条件下的有功功率主动调节
7.3通过调节发电机转速控制风力机捕获功率的方法
7.3.1发电机转速对风力机捕获功率的影响
7.3.2直流母线电压控制的数学模型
7.3.3直流母线电压控制器设计
7.3.4直流母线储能环节的选择
7.3.5其他工况
7.4通过调节桨距角控制风力机捕获功率的方法
7.5弱电网条件下网侧变换器的模型及控制方法
7.5.1单台网侧变换器控制方法
7.5.2多台网侧变换器并联控制方法
参考文献
第8章中高压永磁同步风电系统技术
8.1基于三电平变换器的中高压风电系统
8.1.1三电平风电系统结构与控制
8.1.2三电平变换器控制目标的优化
8.1.3三电平变换器的故障检测与保护
8.2无变压器中高压永磁同步风力发电系统
8.2.1无变压器中高压永磁同步风电系统结构
8.2.2无变压器中高压永磁同步风电系统的控制策略
8.2.3无变压器中高压永磁同步风电系统性能优化
8.2.4采用串联整流器及三电平逆变桥的单元结构
参考文献
第9章基于高压直流输电的海上风电系统
9.1基于MMC的离岸风场高压直流输电系统
9.1.1模块化多电平变换器
9.1.2基于MMC的离岸风场高压直流输电系统的拓扑
9.1.3基于MMC的离岸风场高压直流输电系统的控制
9.2基于MFT的离岸风场高压直流输电系统
9.2.1矩阵变换器
9.2.2基于MFT的离岸风场高压直流输电系统的拓扑
9.2.3基于MFT的离岸风场高压直流输电系统的控制
参考文献

全书共分9章。第1章简述可再生能源与风力发电的发展历史、基本原理和值得关注的若干问题。第2章主要介绍双馈风力发电系统的数学模型与建模方法。第3章重点介绍得到广泛应用和研究的理想电网条件下的双馈风电系统的控制策略，包括双馈风力发电机的矢量控制和网侧变换器的矢量控制。对双馈发电机直接功率控制策略和预测控制策略，本章也有介绍。第4章给出非理想电网条件下双馈风电系统的运行特性，包括电网故障类型及对风电系统的影响。第5章介绍双馈风电系统低电压穿越技术及其控制和保护策略。第6章介绍不对称电网条件下双馈风电系统的控制策略，包括模型预测控制和多目标控制。第7章介绍永磁同步风电系统数学模型、控制原理及弱电网条件下的运行控制。第8章介绍基于三电平变换器的中高压永磁同步风电系统和无变压器中高压永磁同步风电系统。第9章则介绍基于高压直流输电的海上风电系统，包括基于MMC和基于MFT的离岸风场高压直流输电系统。

作者 马宏伟  长期从事风电变流器高性能控制领域的研究工作。提出了直接虚功率控制方法，在保持传统直接功率控制的优势的同时，解决了并网前后控制算法平滑切换的问题，改善了双馈风机并网过程中的动态特性；将模型预测控制（MPC）应用于风电控制领域，获得了良好的动静态特性和参数鲁棒性，尤其保证了其在电压跌落、不平衡等故障电网条件下的不间断运行；针对不平衡电网条件下的双馈风电系统，提出了多目标控制策略，通过对一个参数的调节获得不同的优化控制目标。多次参与兆瓦级风电系统的设计、研发与现场调试，先后发表论文10余篇，SCI收录1篇，EI收录14篇。
第二作者 李永东 清华大学电机工程及应用电子技术系教授，法国图卢兹国家理工学院客座教授，哈尔滨理工大学客座教授，“中达学者”，“天山学者”特聘教授。长期从事大容量电力电子变换器及其在调速节能领域的应用，交流电机的全数字化控制及其在数控机床、高铁电力牵引和舰船电力推进中的应用，新能源发电等。主持国家自然基金项目4项、国家863项目和支撑计划项目各1项，中英、法、美、日、韩等国际合作交流项目10项，台达科教基金一般项目和重点项目各1项、其他横向及军工项目几十项。完成我国首台工业化高压大容量变频器的研制和生产，推广后产生巨大经济和社会效益。先后获得国家*科技成果进步二等奖、中国电工技术学会科技进步奖、IET（英国工程技术学会） Fellow、中国机械工程学会特等奖等。曾任“电力系统”副主任兼电力电子分室主任，清华大学研究生院培养处副处长，国际交流与合作委员会委员，新疆大学电气学院院长。现任清华大学电力电子工程研究中心常务副主任，新概念汽车研究院副院长，IEEE（国际电气电子工程师学会）高级会员，IEEE IAS Beijing Chapter Chairman（工业应用分会北京分会主席），中国电工技术学会高级会员，电力电子学会副理事长，中国电工技术学会电控装置及系统专委会副主任委员，中国自动化学会电气自动化专委会副主任委员，学术委员会主任，中国电源学会交通电气化专委会主任委员。出版作者专著3部，发表论文300多篇，其中SCI收录40余篇，EI收录100余篇。
第三作者 许烈 清华大学电机工程及应用电子技术系副教授，入选泰山产业领军人才计划，PCIM Asia技术委员会委员，IEEE会员，资源强制回收产业技术创新战略联盟专家组成员、多电飞机国际会议（2019）技术委员会主席。先后主持国家自然科学基金2项、清华大学自主科研计划1项、横向课题数项（总经费超过3000万元）。发表EI/SCI等高水平学术论文40余篇。
第四作者 柴建云 清华大学教授、博士生导师，高端装备研究院动力传动研究所所长。研究和教学领域包括新能源发电、特种电机和电力电子与电力传动等专业方向，承担和完成了多项国家973、863和科技支撑计划重大项目和自然科学基金重点项目以及数十项国际及国内校企合