永磁風力發電系統運行與控制（簡體書）

《永磁風力發電系統運行與控制》內容主要涵蓋永磁風力發電機及其功率變換系統的運行與控制，並對永磁風力發電機磁場解析、Boost斬波型功率變換系統控制、三電平功率變換系統控制和多重化功率變換系統控制等關鍵技術問題進行了詳細的論述，得出了一些有益的結論。全書既反映永磁風力發電系統運行與控制領域的新技術、新成果、新趨勢等前瞻性內容，又與實際相結合，為我國風力發電技術的不斷突破提供一定的理論依據與技術基礎。《永磁風力發電系統運行與控制》可作為電機學、電力電子技術、自動控制、電機控制等方向的高等學校本科生、研究生的參考教材，也可作為永磁風力發電技術等領域相關科技人員的參考書。

夏長亮所著的《永磁風力發電系統運行與控制》共七章。第一章介紹了風力發電系統的發展歷程與永磁風力發電技術的研究現狀。第二章針對永磁風力發電系統中的主要環節建立了數學模型，包括發電機模型及多種功率變換器模型。第三章介紹了永磁風力發電機的電磁結構與設計特點，建立了磁場解析模型，并進行了參數設計以改善電機磁場分布。第四章針對永磁風力發電Boost斬波型功率變換系統，論述了電機側變換器狀態反饋精確線性化的控制策略和網側變換器恒頻直接功率控制策略，并對系統運行特性進行了分析。第五章基于永磁風力發電Boost斬波三電平功率變換系統，重點分析了Boost三電平斬波器的相差控制方式及其在網側三電平變換器直流側中點電位平衡控制中的作用，并論述了網側三電平變換器的矢量控制策略。第六章介紹了永磁風力發電多重化功率變換系統的控制方法，分析了電機側級聯方式可切換型升壓斬波變換器與網側線電壓級聯型功率變換器的控制方式及運行特性。第七章通過列舉典型的商業化永磁風力發電系統及其技術特征，對永磁風力發電技術未來的發展趨勢進行了展望。

前言
第一章緒論
1．1風力發電系統發展歷程
1．2風力發電系統研究現狀
1．2．1風力發電系統運行特性
1．2．2風力發電系統典型結構及特點
1．2．3風力發電系統中的功率變換器參考文獻
第二章永磁風力發電系統數學模型
2．1永磁風力發電機模型
2．1．1坐標變換理論
2．1．2發電機數學模型
2．2功率變換器模型
2．2．1Boost斬波型功率變換器
2．2．2三電平功率變換器
2．2．3多重化功率變換器參考文獻
第三章永磁風力發電機磁場分析與參數設計
3．1永磁風力發電機電磁結構與設計特點
3．1．1拓撲結構
3．1．2電磁設計特點
3．2永磁風力發電機磁場解析建模
3．2．1理想氣隙模型
3．2．2非理想氣隙模型
3．3基於Taguchi法的永磁風力發電機參數設計
3．3．1Taguchi法設計理論
3．3．2參數設計與分析參考文獻
第四章永磁風力發電Boost斬波型功率變換系統控制
4．1電機側變換器非線性控制
4．1．1微分幾何基礎理論及反饋線性化方法
4．1．2二階非線性控制器設計
4．1．3三階非線性控制器設計
4．1．4運行特性分析
4．2網側變換器直接功率控制
4．2．1電網電壓平衡情況下網側變換器恒頻功率控制
4．2．2電網電壓不平衡情況下網側變換器恒頻功率控制
4．2．3運行特性分析參考文獻
第五章永磁風力發電B00st斬波三電平功率變換系統控制
5．1相差控制方式下Boost三電平斬波器特性分析
5．1．1Boost三電平斬波器的相差控制方式
5．1．2相差控制方式下Boost三電平斬波器工作模式分析
5．1．3Boost三電平斬波器的升壓電感
5．2功率變換系統控制策略
5．2．1發電機轉速控制
5．2．2網側三電平變換器直流側中點電位平衡控制
5．2．3網側三電平變換器矢量控制
5．2．4運行特性分析參考文獻
第六章永磁風力發電多重化功率變換系統控制
6．1電機側級聯方式可切換型Boost斬波變換器
6．1．1SCMBC運行模式分析
6．1．2SCMBC調速範圍分析
6．1．3基於SCMBC的永磁風力發電機轉速控制
6．1．4運行特性分析
6．2網側線電壓級聯型功率變換器
6．2．1三重化LVC_VSC載波移相SVPWM調製
6．2．2傳輸功率均衡下三重化LVC-．VSC運行控制
6．2．3傳輸功率不均衡下三重化LVG—VSC運行控制
6．2．4運行特性分析參考文獻
第七章永磁風力發電系統發展趨勢
7．1商業化永磁風力發電系統
7．2永磁風力發電技術發展趨勢參考文獻

第一章 緒論
長久以來，能源始終是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎之一。沒有能源以及對能源的開發與利用作保證，人類文明發展到今天將步履維艱，甚至可能早已湮滅在歷史的長河中。在人類利用能源的過程中，煤、石油、天然氣等化石能源資源日趨枯竭，能源安全問題越來越受到世界各國的關注。此外，長期大量使用煤炭、石油及天然氣導致的氣候、生態及環境惡化也在不斷升級。因此，在節能減排、提高能源利用效率的同時，通過尋求新的清潔型能源應對能源枯竭與環境惡化等嚴峻形勢，已經成為人類社會亟待解決的問題之一。風能作為一種潔凈且開發利用技術相對成熟的可再生能源，其發展前景較為廣闊，風能的合理開發與利用已成為保障人類社會能源安全的重要手段之一。
1.1 風力發電系統發展歷程
在電氣化革命以前，風能就被人類廣泛利用。大約在公元前3200年，古埃及人就開始利用風帆為船只提供動力。公元1世紀，古希臘工程師希羅發明的風輪是所有歐洲風車的雛形，歐洲第一架風車大約出現在12世紀的諾曼底附近。東方最早的風車出現在4世紀的中國，說明早在距今1700多年前中國人就懂得利用風車獲得動力。到19世紀風車的使用達到全盛時期，截至1900年丹麥擁有大約2500臺風車，主要用于抽水灌溉和風力磨坊，總共的峰值功率估計可達30MW，到20世紀初，丹麥仍保留有十多萬架風車。美國、英國、希臘等國家的鄉村也廣泛地使用風車。至今，在一些動力資源缺乏和交通不便的草原牧區、沿海島嶼，仍然利用風車來提供動力。
電氣化革命以來，風力發電技術更是得到了長足發展。1887年安德森學院的工程師布萊斯建造了第一臺用于生產電能的風機，該風機高約10m，其葉片由帆布包覆，用于為蓄電池充電及農舍的照明。與此同時，美國人布拉什主持建造了第一臺能夠自動運行的風機，如圖1.1所示。以現今的標準衡量，該風機也較為龐大，其風輪總共由114個葉片組成，直徑長達17m，然而該風機的輸出功率卻非常低，只有12kW。該風機的優點是采用了全自動化的電氣控制系統，風機的輔助風標能使風輪始終正面迎風，而專門設計的控制器則保證風輪以330r／min的額定轉速運行，并且在任意轉速下發電機的電動勢均不會高于90V。
19世紀90年代，丹麥科學家庫爾在阿斯科夫人民高等學校主持建造了兩座試驗風機，如圖1.2所示。該風機產生的電能用于電解水以獲得氫氣，供給學校煤氣燈照明。布拉什的風機之所以效率較低，主要是其葉片過多且旋轉緩慢造成的，而庫爾發現具有較少葉片且高速旋轉的風機比低速風機擁有更高的效率。
圖1.2 庫爾的兩臺風機
之后，風力發電逐漸得到了大規模的應用。由于庫爾的貢獻，丹麥在整個20世紀的風力發電歷史中占有舉足輕重的地位。截至1908年，已經有72臺風機建成，功率從5～25kW不等，其中最大風機的葉輪采用四葉片設計，整個葉輪直徑達23m，風機塔高24m。1957年，一臺三葉片、水平軸失速型風機在丹麥建成，該風機與現今的商業型風機已十分相似。
1931年第一臺用于公共事業的并網型風機在蘇聯雅爾塔建成，該風機功率為100kW，采用三葉片、水平軸形式，并連接至當地6.3kV的配電系統中。1941年，史密斯普特南風機在美國建成（圖1.3），該風機測試輸出功率最大可達700kW。
在風機功率大幅提高的同時，小型風機也引起了廣泛關注。1927年，雅各布兄弟在明尼阿波利斯開設工廠，生產專門用于農場的風機，30年間該公司生產了約30000個小型風力發電機，其中一些甚至銷售到了非洲的偏遠地區。此后很多公司也加入到了小型風機的競爭市場，包括Wincharger、Miller Airlite、Universal Aeroelectric、Paris Dunn、Airline以及Winpower等公司。圖1.4為坐落于美國印第安納州的一臺小型風機。
1930年，垂直軸風機出現，該風機與傳統的水平軸風機不同，其主動軸與地平面垂直，如圖1.5所示。垂直軸風機主要分為兩類，即以達里厄型（Darrieus）風機為代表的升力型垂直軸風機和以薩渥紐斯（Savonius）風機為代表的阻力型垂直軸風機。相比水平軸風機，垂直軸風機的旋轉軸垂直于地面，發電機連接于旋轉軸的底部，維護十分方便，而風輪能接受來自任意方向的風，無需偏航裝置。但垂直軸風機的缺點也較為突出，如風能利用率較低、不能自行啟動等。
1978年，第一臺兆瓦級風機在丹麥建成（圖1.6），該風機裝機容量達到2MW，采用了大量現代風機技術，如管狀塔身、三葉片設計、變槳距技術等，其外形與當今的風機基本相同。目前，該風機仍在運行，它的建成為后來風力發電技術的蓬勃發展奠定了基礎。此外，該風機是由Tvind學校的師生共同建造的，這也表明高等院校在推進風電技術發展的過程中起著極為重要的作用。
1973年以后，隨著能源安全問題日益突出，世界各國加大了對風能的開發與利用。進入21世紀以后，風力發電更是取得了突飛猛進的發展，據全球風能協會的最新統計，2000年以來全球風力發電總裝機容量和新增裝機容量大幅提升（圖1.7）；2009年新增裝機容量達到38610MW，增長率更是達到了45.3%；2010年全球總裝機容量已接近200000MW［1］；另據該協會保守估計，至2015年全球風力發電總裝機容量將接近300000MW；至21世紀中葉，將很有可能突破3000000MW［1］。由此可見，在未來的幾十年中風力發電裝機容量將繼續保持相當可觀的增長速度。
相關統計表明，在推動風力發電發展方面北美、亞洲及歐洲占據了主導地位，特別是中國在2009年和2010年連續兩年新增裝機容量位居世界首位，總裝機容量在2010年達到42287MW，首次超越美國，位居世界首位。這一數據已遠遠超出我國《可再生能源發展“十一五”規劃》中制定的到2010年風力發電系統總裝機容量10000MW的發展目標［2］。
風力發電裝機容量的激增，市場需求的加大，促使風力發電裝備制造業異軍突起。特別是近年來，我國一些具有部分自主知識產權的風電設備制造企業已經打破了如Vestas、Gemesa和GE等國外著名風電企業對市場的壟斷，占據了越來越多的國內甚至國際市場份額。由此可見，在世界各國政策、法規及財政的支持下，隨著開發商大量資金的持續注入、風力發電技術的不斷進步以及對該領域高水平人才培養的進一步加強，風力發電將保持良好的發展勢頭，并已經成為可再生能源發展的一支主導力量。
1.2 風力發電系統研究現狀
隨著風力發電相關研究的深入以及計算機與控制技術的飛速發展，風力發電技術的革新極為迅速，其單機容量從最初的千瓦級系統發展到目前應用最為廣泛的兆瓦級系統，控制方式從單一的定槳距失速控制技術發展到變槳距控制技術，系統的運行可靠性不斷提升。下面將圍繞商業化風力發電系統的運行特點，從風力發電系統運行特性、典型結構及特點、功率變換器等方面對風力發電技術進行闡述。
1.2.1 風力發電系統運行特性
風力發電是將風能轉換為機械能進而轉換為電能的過程，其主要組成部分包括風機、發電機、功率變換器和控制系統等。其中，風機將自然界中的隨機風能轉化為葉片的旋轉機械能；發電機將機械能轉換為電能；功率變換器則通過功率半導體器件的開關動作，將發電機輸出的電能變換成符合要求的工頻交流電并輸送至電網；控制系統主要通過對系統中各部分工作狀態的監測，利用其強大的運算處理功能輸出控制信號，從而保證整個風力發電系統的正常、穩定運行。
風機作為風力發電系統的關鍵部件之一，直接影響著風力發電系統的性能和效率。根據風機的結構及其在氣流中位置的不同，其結構形式主要包括水平軸和垂直軸［3，4］。垂直軸風機的旋轉方向垂直于氣流方向或地面，可從任意方向獲得風力，在風速方向改變時無需重新定位轉子，簡化了風機的結構設計，減少了風機對風時的陀螺力，而且由于減速箱、發電機及其相鄰的電氣控制柜等裝置可以放置在地面上，便于風機的安裝與維護。同時，垂直軸風機的缺點也非常明顯，即只能在一定的風速下達到最大的風能利用率，對其吸收風能的控制調節較難實現；旋轉部分不易供電，信號檢測及傳輸困難，風機啟動、調速以及制動過程的控制復雜，穩定性較差。此外，葉片的不均衡受力導致風機易產生振動，運行時噪聲大。因此，在實際中垂直軸風機并未獲得廣泛應用。
水平軸風機的旋轉軸與風向平行，其特點是風能利用率較高，并且可靈活地控制其吸收風能的大小。水平軸風機按風機與塔架相對位置的不同而有上風向與下風向之分。上風向風機在塔架的前方迎風旋轉，運行時需要偏航裝置以保持風機的迎風狀態。下風向風機安裝在塔架的下風位置，能夠自動對準風向，無需對風調向裝置，但由于一部分空氣通過塔架后再吹向風機，塔架干擾了流過葉片的氣流而形成塔影效應，使風機的運行性能有所降低。目前商業化兆瓦級風力發電系統中多采用水平軸上風向風機。