本書針對全球主流并網(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)以及儲能技術(shù)在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用展開研究。全書共13章，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理、數(shù)學(xué)模型、仿真建模、運行與控制、低電壓穿越（LVRT）仿真與測試、混合儲能平滑風(fēng)電出力、新型動態(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、儲能系統(tǒng)的能量管理、動態(tài)電壓恢復(fù)器提升光伏LVRT能力、風(fēng)光儲一體化仿真建模等關(guān)鍵問題進行了深入細致的研究與探討，相關(guān)結(jié)論具有重要的理論意義與工程指導(dǎo)價值。本書集理論性、系統(tǒng)性、工程性、新穎性于一體，內(nèi)容翔實、理論研究緊扣工程實踐，可為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電工程實踐提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。本書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，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，高效儲能系統(tǒng)可調(diào)節(jié)發(fā)、供電之間的時差矛盾，能夠從時空兩域有效地隔離電能的生產(chǎn)和使用，實現(xiàn)風(fēng)電和光電的時空平移，既能削峰填谷，又能移峰錯谷，提升電網(wǎng)對風(fēng)電和光電的消納能力，風(fēng)光儲一體化發(fā)電可參與電網(wǎng)實時調(diào)度，實現(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)電機組由于能夠變速運行、勵磁變頻器僅處理轉(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（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磁，通過定子磁鏈定向控制轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率、幅值和相位，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)交流勵磁，再通過電壓定向控制實現(xiàn)定子側(cè)“變速恒頻”和功率因數(shù)控制，實現(xiàn)DFIG柔性并網(wǎng)運行。
直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）轉(zhuǎn)子與風(fēng)力機風(fēng)輪直接連接，省去了高故障率的齒輪箱，具有機械損耗小、運行效率高、維護成本低、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，近年來在大功率風(fēng)電機組領(lǐng)域應(yīng)用非常廣闊。機組通過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)電機與電網(wǎng)實現(xiàn)了解耦，不會直接影響到風(fēng)力機的運行特性，相對于雙饋式風(fēng)電機組具有更強的低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力。
太陽能資源具有清潔無害、安全便利、可永續(xù)使用等特點，可以多種方式開發(fā)利用，其中光伏發(fā)電（Photovoltaic Generation，PVG）聯(lián)網(wǎng)運行是實現(xiàn)太陽能大規(guī)模開發(fā)利用的重要途徑，近年來隨著技術(shù)成熟和單價的降低得到了迅猛發(fā)展，已成為實現(xiàn)能源多樣化、應(yīng)付環(huán)境危機和實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的重要替代能源。國內(nèi)光伏發(fā)電以大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入、高壓遠距離外送消納格局為主。
本書針對全球主流并網(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)，以及儲能技術(shù)在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用等問題，對其數(shù)學(xué)模型、仿真建模、運行與控制、風(fēng)電機組LVRT測試、新型不間斷動態(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、混合儲能平滑風(fēng)電出力等關(guān)鍵問題進行了較深入研究。本書選題來源于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的仿真與建模、運行與控制、測試與分析的科研實踐，力求內(nèi)容系統(tǒng)、完整，從多角度進行理論分析、仿真驗證與工程實例研究，以拙見饗讀者，期望達到拋磚引玉的效果。
本書第5章、第6章部分內(nèi)容由北京天潤新能投資有限公司華北分公司薛宇工程師撰寫，第10章由內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院尹柏清高工編寫，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，第7章由烏蘭察布市供電局布赫工程師撰寫，第8章由烏蘭察布市供電局孫偉工程師撰寫，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。
前言電網(wǎng)友好型風(fēng)光儲一體化仿真與控制在本書撰寫過程中，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)楸緯捻樌霭娣瞰I了辛勤的勞動和汗水，做出了重要貢獻。
在本書撰寫過程中，內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院胡宏彬、劉海濤對本書的具體內(nèi)容提出了一些建設(shè)性的指導(dǎo)意見，在此謹向他們致以誠摯的謝意。本書的完成也得益于前人所做的工作，在此對本書所參考的有關(guān)書籍、期刊論文等的原作者表示感謝。
本書得到國家自然科學(xué)基金（51567020、51367012）、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃（NCET.11.1018）、內(nèi)蒙古自然科學(xué) 基金項目(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劃、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)“電網(wǎng)友好型風(fēng)力發(fā)電運行與控制”創(chuàng)新團隊的大力資助，作者在此深表謝意！
本書得以付梓，得到了機械工業(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)識經(jīng)驗，書中疏漏、謬誤與不當之處在所難免，懇請同行專家和廣大讀者不吝批評指正。
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)電機組LVRT標準的要求17
152風(fēng)力發(fā)電LVRT的實現(xiàn)方法18
153光伏電站LVRT標準的要求19
154光伏電站LVRT的實現(xiàn)方法20
第2章雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機數(shù)學(xué)模型21
21雙饋式電機的數(shù)學(xué)模型22
211功率不變約束條件下的坐標變換22
212繞組匝數(shù)不變約束條件下的坐標變換28
213三相靜止坐標系下雙饋式電機的多變量數(shù)學(xué)模型29
214兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下雙饋式電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型(Kron方程)38
22雙饋式電機的標幺值方程43
23電網(wǎng)電壓不平衡時雙饋式電機和網(wǎng)側(cè)變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型46
231電網(wǎng)電壓不平衡時雙饋式電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型46
232電網(wǎng)電壓不平衡時雙饋式電機網(wǎng)側(cè)變換器的動態(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)運行與控制51
31轉(zhuǎn)子側(cè)變換器傳統(tǒng)PI控制器設(shè)計51
311電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計51
312轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計53
32轉(zhuǎn)子側(cè)變換器內(nèi)�？刂破髟O(shè)計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)變換器改進的準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PR控制67
371PR控制器及其特性67
372網(wǎng)側(cè)變換器的準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)電機組LVRT仿真92
第5章直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機數(shù)學(xué)模型96
51同步電動機的分類96
52同步電機的基本方程97
521定子電路方程98
522轉(zhuǎn)子電路方程101
53dq0坐標變換101
54同步電機的標幺值方程106
55永磁同步電機的數(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撲結(jié)構(gòu)116
621不可控整流器+PWM電壓源型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)117
622背靠背雙PWM電壓型變換器拓撲結(jié)構(gòu)117
623 二極管鉗位型拓撲結(jié)構(gòu)118
624級聯(lián)H橋型拓撲結(jié)構(gòu)119
625飛跨電容型拓撲結(jié)構(gòu)120
63機側(cè)PWM變換器及其控制121
631機側(cè)PWM變換器的數(shù)學(xué)模型121
632機側(cè)PWM變換器的運行控制及仿真分析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)力機的模型137
713發(fā)電機側(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實現(xiàn)LVRT仿真分析163
731適用于直流環(huán)節(jié)的保護方案分析163
732直流側(cè)增加儲能的永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)164
733雙向DC/DC變換器的控制策略165
734基于超級電容儲能的直驅(qū)式風(fēng)電機組LVRT仿真分析166
74基于復(fù)合儲能的直驅(qū)式風(fēng)電機組建模仿真170
741基于復(fù)合儲能的直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型170
742基于復(fù)合儲能的直驅(qū)式風(fēng)電機組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)中常見電網(wǎng)故障類型179
82電壓幅值和相角檢測方法180
821三相abcdq的派克變換檢測算法181
822構(gòu)造虛擬三相的dq檢測法182
823單相求導(dǎo)法的αβdq變換182
83電壓正負序分離方法184
831不平衡電網(wǎng)電壓描述185
832常規(guī)典型正負序分離方法187
833基于諧振控制器的正負序分離方法189
84DFIGDVR系統(tǒng)拓撲及工作原理192
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章儲能型DVR提升風(fēng)電/光伏LVRT能力208
91DVR提升雙饋式風(fēng)電機組故障穿越仿真研究208
911三相對稱故障下DFIG機組LVRT仿真209
912三相不對稱故障下DFIG機組LVRT仿真218
924種方式實現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電機組故障穿越仿真研究226
921采用卸荷電路實現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電機組LVRT運行229
922改進控制策略實現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電機組LVRT運行230
923新型混合儲能實現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電機組LVRT運行231
924UDVR實現(xiàn)直驅(qū)式風(fēng)電機組LVRT運行232
93DVR提升MW級光伏發(fā)電系統(tǒng)故障穿越仿真研究234
931PCC發(fā)生三相對稱故障時PVG系統(tǒng)的LVRT仿真237
932PCC發(fā)生不對稱故障時PVG系統(tǒng)的LVRT仿真240
第10章風(fēng)電機組LVRT測試實例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測試設(shè)備及程序251
1031風(fēng)電機組LVRT測試設(shè)備252
1032風(fēng)電機組LVRT測試程序253
104雙饋式機組LVRT測試實例分析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)式機組LVRT測試實例分析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章光伏電池數(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標準工況下光伏陣列仿真分析279
1152光照強度變化時光伏陣列仿真分析280
1153溫度變化時光伏陣列仿真分析281
第12章儲能系統(tǒng)與能量管理策略283
121儲能PCS簡介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)光儲發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真296
131風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)簡介296
132風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的隨機性及波動性分析297
133風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的功率數(shù)據(jù)問題與處理299
134風(fēng)光儲系統(tǒng)中的儲能容量配置方法304
1341單一儲能類型系統(tǒng)控制與配置305
1342混合儲能系統(tǒng)308
135光伏逆變器的建模與仿真315
1351單臺光伏逆變器的建模與控制315
1352多臺光伏逆變器并聯(lián)運行與環(huán)流分析318
136光伏發(fā)電系統(tǒng)LVRT運行326
1361電網(wǎng)故障時Crowbar電路的保護策略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333
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