本書(shū)針對(duì)全球主流并網(wǎng)型雙饋式和直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及儲(chǔ)能技術(shù)在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)研究。全書(shū)共13章，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理、數(shù)學(xué)模型、仿真建模、運(yùn)行與控制、低電壓穿越（LVRT）仿真與測(cè)試、混合儲(chǔ)能平滑風(fēng)電出力、新型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器提升風(fēng)電LVRT能力，以及光伏電池的數(shù)學(xué)模型、儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器提升光伏LVRT能力、風(fēng)光儲(chǔ)一體化仿真建模等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入細(xì)致的研究與探討，相關(guān)結(jié)論具有重要的理論意義與工程指導(dǎo)價(jià)值。本書(shū)集理論性、系統(tǒng)性、工程性、新穎性于一體，內(nèi)容翔實(shí)、理論研究緊扣工程實(shí)踐，可為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電工程實(shí)踐提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。本書(shū)可用作高等院校新能源發(fā)電專業(yè)的本科生教材和相關(guān)專業(yè)研究生科研參考書(shū)，也可供從事可再生能源發(fā)電的研發(fā)人員及工程技術(shù)人員參考。
風(fēng)能和太陽(yáng)能作為人類取之不盡、用之不竭、環(huán)境友好的可再生能源，是目前新能源發(fā)電中技術(shù)最成熟、規(guī)模最大、商業(yè)化發(fā)展最好的兩種發(fā)電方式，高效儲(chǔ)能系統(tǒng)可調(diào)節(jié)發(fā)、供電之間的時(shí)差矛盾，能夠從時(shí)空兩域有效地隔離電能的生產(chǎn)和使用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電和光電的時(shí)空平移，既能削峰填谷，又能移峰錯(cuò)谷，提升電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電和光電的消納能力，風(fēng)光儲(chǔ)一體化發(fā)電可參與電網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)多電源和諧發(fā)展，將逐步發(fā)展為電網(wǎng)友好型“綠色電力”。
雙饋式風(fēng)電機(jī)組由于能夠變速運(yùn)行、勵(lì)磁變頻器僅處理轉(zhuǎn)差功率而成為風(fēng)電領(lǐng)域一種較先進(jìn)和理想的技術(shù)，工業(yè)應(yīng)用最為廣泛。雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DoublyFed Induction Generator， DFIG）定子與電網(wǎng)直接相連，轉(zhuǎn)子由雙向變換器提供勵(lì)磁，通過(guò)定子磁鏈定向控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率、幅值和相位，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)交流勵(lì)磁，再通過(guò)電壓定向控制實(shí)現(xiàn)定子側(cè)“變速恒頻”和功率因數(shù)控制，實(shí)現(xiàn)DFIG柔性并網(wǎng)運(yùn)行。
直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）轉(zhuǎn)子與風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪直接連接，省去了高故障率的齒輪箱，具有機(jī)械損耗小、運(yùn)行效率高、維護(hù)成本低、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在大功率風(fēng)電機(jī)組領(lǐng)域應(yīng)用非常廣闊。機(jī)組通過(guò)全功率變換器與電網(wǎng)相連，是保證并網(wǎng)電能質(zhì)量的核心，一旦電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障，由于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了解耦，不會(huì)直接影響到風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性，相對(duì)于雙饋式風(fēng)電機(jī)組具有更強(qiáng)的低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力。
太陽(yáng)能資源具有清潔無(wú)害、安全便利、可永續(xù)使用等特點(diǎn)，可以多種方式開(kāi)發(fā)利用，其中光伏發(fā)電（Photovoltaic Generation，PVG）聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的重要途徑，近年來(lái)隨著技術(shù)成熟和單價(jià)的降低得到了迅猛發(fā)展，已成為實(shí)現(xiàn)能源多樣化、應(yīng)付環(huán)境危機(jī)和實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要替代能源。國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電以大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)、中高壓接入、高壓遠(yuǎn)距離外送消納格局為主。
本書(shū)針對(duì)全球主流并網(wǎng)型雙饋式和直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)，以及儲(chǔ)能技術(shù)在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用等問(wèn)題，對(duì)其數(shù)學(xué)模型、仿真建模、運(yùn)行與控制、風(fēng)電機(jī)組LVRT測(cè)試、新型不間斷動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（Uninterruptible Dynamic Voltage Restorer，UDVR）提升風(fēng)電/光電系統(tǒng)故障穿越能力、混合儲(chǔ)能平滑風(fēng)電出力等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了較深入研究。本書(shū)選題來(lái)源于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的仿真與建模、運(yùn)行與控制、測(cè)試與分析的科研實(shí)踐，力求內(nèi)容系統(tǒng)、完整，從多角度進(jìn)行理論分析、仿真驗(yàn)證與工程實(shí)例研究，以拙見(jiàn)饗讀者，期望達(dá)到拋磚引玉的效果。
本書(shū)第5章、第6章部分內(nèi)容由北京天潤(rùn)新能投資有限公司華北分公司薛宇工程師撰寫(xiě)，第10章由內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院尹柏清高工編寫(xiě)，第12章、第13章部分內(nèi)容由北京航空航天大學(xué)陳明軒博士撰寫(xiě)，第7章由烏蘭察布市供電局布赫工程師撰寫(xiě)，第8章由烏蘭察布市供電局孫偉工程師撰寫(xiě)，其余內(nèi)容均由內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院任永峰教授撰寫(xiě)。
前言電網(wǎng)友好型風(fēng)光儲(chǔ)一體化仿真與控制在本書(shū)撰寫(xiě)過(guò)程中，作者的多位研究生參與了前期文字、插圖錄入和后期的校對(duì)工作，分別是李興剛、牛海偉、劉峰、徐少華、鞠天廣、韓洲、柳福、孟志宏、杜鵬飛、郭錦韋、胡志帥、從旭光、廉茂航、邱瑋、楊帆、康飛鵬，他們?yōu)楸緯?shū)的順利出版奉獻(xiàn)了辛勤的勞動(dòng)和汗水，做出了重要貢獻(xiàn)。
在本書(shū)撰寫(xiě)過(guò)程中，內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院胡宏彬、劉海濤對(duì)本書(shū)的具體內(nèi)容提出了一些建設(shè)性的指導(dǎo)意見(jiàn)，在此謹(jǐn)向他們致以誠(chéng)摯的謝意。本書(shū)的完成也得益于前人所做的工作，在此對(duì)本書(shū)所參考的有關(guān)書(shū)籍、期刊論文等的原作者表示感謝。
本書(shū)得到國(guó)家自然科學(xué)基金（51567020、51367012）、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET.11.1018）、內(nèi)蒙古自然科學(xué) 基金項(xiàng)目(2015MS0532、2011BS0903）、內(nèi)蒙古“草原英才”工程(CYYC2013031)、內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校青年科技英才支持計(jì)劃、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)“電網(wǎng)友好型風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行與控制”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的大力資助，作者在此深表謝意！
本書(shū)得以付梓，得到了機(jī)械工業(yè)出版社的大力支持，尤其是付承桂編輯傾注了大量精力，特此致謝！
限于作者的業(yè)務(wù)水平和學(xué)識(shí)經(jīng)驗(yàn)，書(shū)中疏漏、謬誤與不當(dāng)之處在所難免，懇請(qǐng)同行專家和廣大讀者不吝批評(píng)指正。
目錄
前言
第1章緒論1
11雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)2
12直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)5
13光伏發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀7
14儲(chǔ)能技術(shù)及其在可再生能源發(fā)電中的應(yīng)用10
15可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越技術(shù)17
151風(fēng)電機(jī)組LVRT標(biāo)準(zhǔn)的要求17
152風(fēng)力發(fā)電LVRT的實(shí)現(xiàn)方法18
153光伏電站LVRT標(biāo)準(zhǔn)的要求19
154光伏電站LVRT的實(shí)現(xiàn)方法20
第2章雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型21
21雙饋式電機(jī)的數(shù)學(xué)模型22
211功率不變約束條件下的坐標(biāo)變換22
212繞組匝數(shù)不變約束條件下的坐標(biāo)變換28
213三相靜止坐標(biāo)系下雙饋式電機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型29
214兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙饋式電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型(Kron方程)38
22雙饋式電機(jī)的標(biāo)幺值方程43
23電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)雙饋式電機(jī)和網(wǎng)側(cè)變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型46
231電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)雙饋式電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型46
232電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)雙饋式電機(jī)網(wǎng)側(cè)變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型48
第3章雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行與控制51
31轉(zhuǎn)子側(cè)變換器傳統(tǒng)PI控制器設(shè)計(jì)51
311電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)51
312轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)53
32轉(zhuǎn)子側(cè)變換器內(nèi)�？刂破髟O(shè)計(jì)54
321IMC在電流環(huán)的應(yīng)用54
322IMC在轉(zhuǎn)速環(huán)的應(yīng)用56
33轉(zhuǎn)子側(cè)變換器改進(jìn)的準(zhǔn)PR控制57
34網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型59
35網(wǎng)側(cè)變換器電網(wǎng)電壓定向矢量控制62
36網(wǎng)側(cè)變換器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制64
361虛擬電網(wǎng)磁鏈的引入64
362d軸虛擬電網(wǎng)磁鏈定向下PWM整流器的數(shù)學(xué)模型65
363虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測(cè)器66
364d軸虛擬電網(wǎng)磁鏈定向PWM整流器矢量控制系統(tǒng)67
37網(wǎng)側(cè)變換器準(zhǔn)PR控制67
371PR控制器及其特性67
372網(wǎng)側(cè)變換器的準(zhǔn)PR矢量控制71
第4章雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真研究72
41基于MATLAB的雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真72
411轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制系統(tǒng)仿真模型72
412網(wǎng)側(cè)變換器控制系統(tǒng)仿真模型72
413雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型74
4142MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)仿真分析75
42基于PSCAD的雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真77
421轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制系統(tǒng)仿真模型77
422網(wǎng)側(cè)變換器控制系統(tǒng)仿真模型78
423風(fēng)力機(jī)及變槳距仿真模型78
424基于PSCAD的雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型82
425MW級(jí)雙饋式風(fēng)力發(fā)電柔性并網(wǎng)仿真結(jié)果分析82
43基于RTDS的雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)仿真研究84
431基于RTDS的雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模84
432轉(zhuǎn)子側(cè)變換器仿真84
433網(wǎng)側(cè)變換器仿真88
434基于RTDS的雙饋式風(fēng)電機(jī)組LVRT仿真92
第5章直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型96
51同步電動(dòng)機(jī)的分類96
52同步電機(jī)的基本方程97
521定子電路方程98
522轉(zhuǎn)子電路方程101
53dq0坐標(biāo)變換101
54同步電機(jī)的標(biāo)幺值方程106
55永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型113
第6章直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行與控制116
61直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)方式概述116
62直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的幾種全功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)116
621不可控整流器+PWM電壓源型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)117
622背靠背雙PWM電壓型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)117
623 二極管鉗位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)118
624級(jí)聯(lián)H橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)119
625飛跨電容型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)120
63機(jī)側(cè)PWM變換器及其控制121
631機(jī)側(cè)PWM變換器的數(shù)學(xué)模型121
632機(jī)側(cè)PWM變換器的運(yùn)行控制及仿真分析123
64網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制128
641兩電平PWM變換器的數(shù)學(xué)模型128
642三電平PWM變換器的數(shù)學(xué)模型132
643網(wǎng)側(cè)PWM變換器的運(yùn)行控制及仿真分析133
第7章永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真建模研究137
71直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)仿真137
711直驅(qū)式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)在PSCAD/EMTDC中建模137
712風(fēng)力機(jī)的模型137
713發(fā)電機(jī)側(cè)控制器的建模138
714電網(wǎng)側(cè)控制器建模138
715仿真結(jié)果分析141
72基于二極管中點(diǎn)鉗位（NPC）型三電平變換器的永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)145
721三電平逆變器基本理論145
722三電平SVPWM的算法146
723三電平逆變器的MATLAB仿真152
724基于三電平變換器的永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)仿真156
73實(shí)現(xiàn)LVRT仿真分析163
731適用于直流環(huán)節(jié)的保護(hù)方案分析163
732直流側(cè)增加儲(chǔ)能的永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)164
733雙向DC/DC變換器的控制策略165
734基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組LVRT仿真分析166
74基于復(fù)合儲(chǔ)能的直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組建模仿真170
741基于復(fù)合儲(chǔ)能的直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型170
742基于復(fù)合儲(chǔ)能的直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組LVRT仿真分析170
743平滑風(fēng)電出力仿真分析175
第8章面向風(fēng)電系統(tǒng)的DVR基本原理與控制策略179
81風(fēng)電系統(tǒng)中常見(jiàn)電網(wǎng)故障類型179
82電壓幅值和相角檢測(cè)方法180
821三相abcdq的派克變換檢測(cè)算法181
822構(gòu)造虛擬三相的dq檢測(cè)法182
823單相求導(dǎo)法的αβdq變換182
83電壓正負(fù)序分離方法184
831不平衡電網(wǎng)電壓描述185
832常規(guī)典型正負(fù)序分離方法187
833基于諧振控制器的正負(fù)序分離方法189
84DFIGDVR系統(tǒng)拓?fù)浼肮ぷ髟?92
85DVR主電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)194
851逆變單元195
852耦合單元195
853濾波單元196
854直流儲(chǔ)能單元197
86DVR逆變單元控制策略197
861DVR等效數(shù)學(xué)模型198
862PR控制器及特性分析199
863基于準(zhǔn)PR控制器的復(fù)合控制策略203
864復(fù)合控制策略性能分析205
第9章儲(chǔ)能型DVR提升風(fēng)電/光伏LVRT能力208
91DVR提升雙饋式風(fēng)電機(jī)組故障穿越仿真研究208
911三相對(duì)稱故障下DFIG機(jī)組LVRT仿真209
912三相不對(duì)稱故障下DFIG機(jī)組LVRT仿真218
924種方式實(shí)現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組故障穿越仿真研究226
921采用卸荷電路實(shí)現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組LVRT運(yùn)行229
922改進(jìn)控制策略實(shí)現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組LVRT運(yùn)行230
923新型混合儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組LVRT運(yùn)行231
924UDVR實(shí)現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組LVRT運(yùn)行232
93DVR提升MW級(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)故障穿越仿真研究234
931PCC發(fā)生三相對(duì)稱故障時(shí)PVG系統(tǒng)的LVRT仿真237
932PCC發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)PVG系統(tǒng)的LVRT仿真240
第10章風(fēng)電機(jī)組LVRT測(cè)試實(shí)例244
101LVRT技術(shù)研究的必要性244
102現(xiàn)有的LVRT技術(shù)246
1021雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LVRT技術(shù)246
1022直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LVRT技術(shù)249
103測(cè)試設(shè)備及程序251
1031風(fēng)電機(jī)組LVRT測(cè)試設(shè)備252
1032風(fēng)電機(jī)組LVRT測(cè)試程序253
104雙饋式機(jī)組LVRT測(cè)試實(shí)例分析253
1041電壓跌落至75%Ue254
1042電壓跌落至50%Ue256
1043電壓跌落至20%Ue259
105直驅(qū)式機(jī)組LVRT測(cè)試實(shí)例分析262
1051電壓跌落至75%Ue262
1052電壓跌落至50%Ue265
1053電壓跌落至20%Ue267
第11章光伏電池?cái)?shù)學(xué)建模與MPPT控制271
111光伏電池的工作原理271
112光伏電池的等效電路及數(shù)學(xué)模型271
113光伏電池輸出特性的仿真分析274
114MPPT控制與仿真275
1141MPPT控制276
1142DC/DC變換器277
1143PWM控制278
115MPPT仿真分析279
1151標(biāo)準(zhǔn)工況下光伏陣列仿真分析279
1152光照強(qiáng)度變化時(shí)光伏陣列仿真分析280
1153溫度變化時(shí)光伏陣列仿真分析281
第12章儲(chǔ)能系統(tǒng)與能量管理策略283
121儲(chǔ)能PCS簡(jiǎn)介283
122蓄電池285
1221蓄電池的充放電特性285
1222蓄電池的數(shù)學(xué)模型286
123超級(jí)電容器288
124全釩液流電池288
125雙向DC/DC變換器建模與仿真291
1251三重化雙向DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型291
1252三重化雙向DC/DC變換器的控制策略294
第13章風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真296
131風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介296
132風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的隨機(jī)性及波動(dòng)性分析297
133風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的功率數(shù)據(jù)問(wèn)題與處理299
134風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能容量配置方法304
1341單一儲(chǔ)能類型系統(tǒng)控制與配置305
1342混合儲(chǔ)能系統(tǒng)308
135光伏逆變器的建模與仿真315
1351單臺(tái)光伏逆變器的建模與控制315
1352多臺(tái)光伏逆變器并聯(lián)運(yùn)行與環(huán)流分析318
136光伏發(fā)電系統(tǒng)LVRT運(yùn)行326
1361電網(wǎng)故障時(shí)Crowbar電路的保護(hù)策略327
1362Crowbar電路的控制策略329
1363基于Crowbar電路的LVRT仿真329
參考文獻(xiàn)333
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