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永磁同步全功率風力發電變流器及其控制

為了解決風力發電基本原理的問題，作者張興（主編） 這樣論述：

本書以「永磁同步風力發電」和「電力電子變流技術」為基礎，從永磁同步發電機及其控制策略、各種變流器拓撲與控制，以及變流器主要電氣部件工藝與設計等角度出發，系統討論了永磁同步發電機、永磁同步發電機控制、網側變流器的控制、基於不控整流型的PMSG變流器、基於三電平拓撲的PMSG變流器、基於級聯多電平拓撲的PMSG變流器、基於模塊化多電平變流器拓撲的PMSG變流器、基於矩陣變換器拓撲的PMSG變流器、基於電流源變流器拓撲的PMSG變流器、PMSG變流器的電網適應性控制，以及風電變流器主要部件工藝與設計等內容，為永磁同步全功率風電變流器技術的應用與研究提供一定的理論與技術參考。本書適合風電變流器、大功率

變流器及其設計、永磁同步電機控制和可再生能源並網技術等領域的研究與工程技術人員閱讀，也可作為高校從事電力電子技術教學和研究的教師、研究生的參考書。 第1章緒論1.1風力發電技術及其產業發展1.1.1全球風電發展現狀1.1.2中國風電發展概述1.2風力發電系統概述1.2.1風力發電基本原理1.2.2風力發電機的分類1.2.3風力發電機的組成1.2.4風電機組的功率控制1.3並網型風電機組的主要結構類型1.3.1定速型風電機組1.3.2變速恆頻型風電機組1.4永磁同步全功率風電變流器概述1.4.1永磁同步全功率風機變流器拓撲1.4.2主要全功率風機變流器簡介參考文獻第2章永磁直

驅同步發電機2.1概述2.2永磁直驅同步風力發電機的結構及分類2.3永磁材料2.3.1鐵磁材料的磁化曲線2.3.2永磁材料的性能指標2.3.3永磁材料的分類及釹鐵硼永磁材料2.3.4永磁材料的選用原則2.4永磁同步發電機的磁路計算2.4.1永磁同步發電機的等效磁路2.4.2永磁體工作點的確定2.5永磁同步發電機的運行特性2.5.1電壓方程和相量圖2.5.2永磁同步發電機的電樞反應及電樞反應電感2.5.3永磁同步發電機的功率方程和功角特性2.5.4永磁同步發電機的外特性和固有電壓調整率2.5.5永磁同步發電機的短路問題2.5.6電壓波形正弦性畸變率2.5.7永磁同步發電機的損耗和效率2.6MW級

永磁同步風力發電機的電磁設計2.6.1電磁設計的特點2.6.2電磁設計的要點2.7永磁同步發電機的溫升與冷卻2.7.1永磁同步發電機的溫升2.7.2永磁同步發電機的傳熱分析2.7.3永磁同步發電機的最高溫升2.7.4永磁同步發電機的冷卻2.8本章小結參考文獻第3章永磁同步發電機的控制3.1PMSG的矢量解耦控制策略3.1.1矢量控制原理3.1.2PMSG的磁場定向解耦控制3.1.3PMSG的弱磁控制3.1.4PMSG的效率最優控制3.2PMSG的直接轉矩控制3.2.1直接轉矩控制原理3.2.2定子磁鏈的估計3.2.3定子電流的最小化控制3.3PMSG的無速度傳感器控制3.3.1PMSG無速度傳

感器控制概述3.3.2基於鎖相環和模型參考自適應的PMSG無速度傳感器控制3.3.3基於滑模觀測器的PMSG無速度傳感器控制3.4PMSG的參數辨識3.4.1參數辨識方法概述3.4.2基於最小二乘法的永磁同步發電機參數辨識3.4.3基於矢量控制系統的直接參數辨識法3.5本章小結參考文獻第4章網側變流器的控制4.1概述4.2網側變流器的重復控制策略4.2.1重復控制基本原理及其設計方法4.2.2傳統重復控制結構問題分析4.2.3一種改進的重復控制結構4.3網側變流器的無差拍控制4.3.1系統物理電路的離散化模型4.3.2無差拍控制的一般方法4.4網側變流器的模型預測控制4.4.1系統模型的建立4

.4.2滯環模型預測控制原理4.4.3HMPC控制系統諧振特性分析及其抑制4.5網側變流器的LCL濾波器及其改進4.5.1采用LCL濾波器時網側變流器輸出濾波性能分析4.5.2LCL濾波器改進拓撲的分析比較4.6本章小結參考文獻第5章基於不控整流型的PMSG變流器5.1基於不控整流的PMSG變流器5.2基於Boost不控整流型PMSG變流器5.2.1采用無源PFC的基於Boost不控整流型PMSG變流器5.2.2采用有源PFC的基於Boost不控整流型PMSG變流器5.2.3基於Boost不控整流型PMSG變流器的控制5.3基於Vienna整流器的PMSG變流器5.3.1Vienna整流器的工

作原理分析5.3.2Vienna整流器的控制5.4本章小結參考文獻第6章基於三電平拓撲的PMSG變流器6.1三電平PMSG變流器的基本拓撲結構和關鍵技術6.1.1基於二極管箝位型三電平拓撲結構6.1.2基於飛跨電容的三電平拓撲結構6.1.3三電平變流器的關鍵技術6.2三電平PMSG變流器調制策略和網側濾波器的優化6.2.1DPWM調制策略比較分析6.2.2網側濾波器的優化設計6.3基於模塊化並聯的三電平PMSG變流器6.3.1模塊化並聯方案及其控制6.3.2模塊化並聯變流器的零序環流分析6.3.3模塊化並聯三電平的零序環流抑制6.4小結參考文獻第7章基於級聯多電平拓撲的PMSG變流器7.1概述

7.2H橋級聯型多電平逆變電路與多相PSMG7.2.1基於H橋逆變器的功率單元電路7.2.2基於H橋級聯型多電平逆變器拓撲7.2.3H橋級聯型逆變器工作原理7.2.4單相級聯H橋的並網控制7.2.5多相永磁同步發電機7.3采用級聯多電平技術的PMSG風電變流器拓撲與控制7.3.1基於不控整流級聯型PMSG風電變流器7.3.2基於可控整流級聯型PMSG風電變流器7.4級聯多電平逆變器的調制策略7.4.1級聯多電平逆變器的調制7.4.2階梯波調制法7.4.3載波調制PWM法7.4.4空間矢量調制法7.4.5單極性倍頻載波相移調制法的諧波特性7.5本章小結參考文獻第8章基於MMC拓撲的PMSG變流器

8.1MMC概述8.2基於MMC拓撲的風電變流器及其直流輸電系統8.3MMC的等效模型電路、運行及調制原理8.3.1MMC等效模型電路8.3.2MMC運行原理及基本方程8.3.3MMC調制原理8.4MMC電容電壓平衡策略8.4.1同一橋臂內子模塊電容電壓的平衡控制策略8.4.2橋臂電壓均衡控制策略8.4.3輸出低頻交流時電容電壓脈動抑制策略8.5本章小結參考文獻第9章基於矩陣變換器（MC）拓撲的PMSG變流器9.1概述9.1.1常規矩陣變換器（CMC）的研究概況9.1.2雙級矩陣變換器（TSMC）的研究概況9.1.3基於MC的商用變頻器開發9.1.4基於MC的雙饋風電變流器技術9.2基於MC的

PMSG直驅式風力發電系統9.2.1基於CMC—PMSG的直驅式風力發電系統9.2.2基於TSMC—PMSG的直驅式風力發電系統9.2.3基於SSMC—PMSG的直驅式風力發電系統9.2.4基於RMC—PMSG的直驅式風力發電系統9.2.5基於MC的PMSG變流器控制策略9.3常規矩陣變換器（CMC）的間接空間矢量調制策略9.3.1CMC基本原理9.3.2等效交—直—交結構的空間矢量調制9.3.3改進的降低開關損耗的的調制策略9.3.4四步換流策略9.4雙級矩陣變換器（TSMC）的調制策略9.4.1TSMC的空間矢量調制策略9.4.2TSMC的共模電壓抑制9.5基於CMC的控制器設計9.5.1

控制電路結構9.5.2解碼器9.5.3延遲器9.5.4四步換流開關序列9.6本章小結參考文獻第10章基於電流源型變流器（CSC）拓撲的PMSG變流器10.1概述10.2基於系統運行電流優化的CSC—PMSG協調控制策略10.2.1電流源型變流器直流電流控制10.2.2滿足發電機控制要求的CSC最小直流電流控制10.2.3滿足並網要求的CSC最小直流電流控制10.2.4運行電流優化的CSC—PMSG系統協調控制方案10.2.5電流優化控制策略仿真驗證10.3網側逆變器並網控制策略10.3.1電流源型並網逆變器主電路拓撲10.3.2電流內環變結構並網控制策略10.3.3控制策略仿真驗證10.4本章

小結參考文獻第11章PMSG變流器的電網適應性控制11.1PMSG變流器的電網適應性控制概述11.2電網電壓不平衡條件下PMSG變流器控制11.2.1不平衡控制關鍵技術11.2.2網側變流器的不平衡控制策略11.3電網電壓諧波下的PMSG變流器控制11.3.1電網電壓諧波下的PMSG變流器數學模型11.3.2電網電壓諧波下的PMSG變流器控制策略11.4PMSG變流器低電壓穿越（LVRT）及其控制策略11.4.1風力發電低電壓穿越的標准11.4.2電網電壓跌落的類型和特點11.4.3DMSG變流器低電壓穿越控制策略11.5PMSG變流器高電壓穿越（HVRT）及其控制策略11.5.1高電壓穿越（

HVRT）的背景和研究現狀11.5.2PMSG變流器高電壓穿越控制策略11.6本章小結參考文獻第12章風電變流器主要部件工藝與設計12.1變流器開關器件選型12.1.1IGBT模塊選型的基本准則12.1.2IGBT模塊電壓和電流的選擇12.1.3IGBT模塊溫升設計要求12.1.4IGBT模塊絕緣耐壓的選擇12.2薄膜電容概述12.2.1薄膜電容器及其基本構造12.2.2薄膜電容基本參數、等效模型以及主要參數間關系12.2.3常見薄膜材料參數比較12.2.4薄膜電容器常用填充材料12.2.5薄膜電容的工藝技術12.2.6DC—link薄膜電容簡介及其與鋁電解電容對比12.2.7DC—link薄

膜電容在風電變流器中的應用12.3低電壓穿越電阻概述及應用12.3.1低電壓穿越電阻簡介12.3.2低電壓穿越電阻的應用與市場12.3.3低電壓穿越電阻材料的選擇12.3.4低電壓穿越電阻的結構、設計及測試12.4水冷電抗器的概述及應用12.4.1電抗器簡介12.4.2水冷電抗器的分類及特點12.4.3水冷電抗器的應用12.5疊層母排簡介及應用12.5.1疊層母排簡介12.5.2疊層母排材料的選擇12.5.3疊層母排的電感分析及低電感優化設計12.5.4絕緣材料的絕緣強度12.5.5疊層母排的設計原則和工藝12.5.6疊層母排的測試參考文獻 在過去的20年中，風力發電技術與

產業獲得高速發展，尤其是自2005年起，全球風電增長勢頭迅猛。2015年全球新增裝機容量已達到63013MW，累計裝機容量達到432419MW，實現了22%的年增長率。2015年，中國風電新增裝機30500MW，累計裝機容量為145104MW，位居全球風電市場首位。顯然，中國已發展成為名副其實的風電大國。在當今大型風電機組中，變速恆頻風電機組已占據主導地位，主要包括雙饋型風電機組和全功率直驅（半直驅）型風電機組。雙饋型風電機組采用部分功率變換，具有變流器容量小、成本低以及整機技術和產業鏈成熟等優勢，目前依然是大型變速恆頻並網風電機組的主流機型。然而，齒輪箱、雙饋發電機的電刷和滑環也不可避免地增

加了其故障率，另外，雙饋型風電機組電網適應性相對較差，這些問題在一定程度上限制了雙饋型風力發電系統的發展。而全功率直驅型風電機組，特別是永磁同步直驅型風電機組，由於沒有齒輪箱、發電機的電刷和滑環等問題，且具有發動機效率高、電網適應性強等優點，近年來得以快速發展。然而，隨着直驅型風電機組容量的進一步增加，低速永磁同步發電機的體積和重量在一定程度上制約了直驅型風電機組的發展，因此半直驅技術得到了業界的關注。半直驅風電機組兼顧了雙饋和直驅型風電機組的優勢，采用了一級（二級）低傳動比齒輪箱設計，在提高發動機轉速以減小其體積的同時，簡化了齒輪箱結構，有效提高了齒輪箱的可靠性與使用壽命。直驅或半直驅型永磁

同步風電機組均采用了全功率驅動技術，具有較好的電網適應性和較高的發動機效率。隨着海上風電的興起和超大容量風電機組的應用，直驅或半直驅永磁同步全功率風電機組將會迎來更好的發展機遇和前景。實際上，早在1992年，德國ENERCON公司就率先開始研制直驅型電勵磁同步風電機組，並相繼開發出E-92、E-101、E-115、E-126等型號產品。其中E-126是世界上批量生產的容量較大的直驅型風電機組，額定功率為6MW，可以升級到7MW。至2009年，直驅型風電機組占據德國風電市場55%以上的份額，可見直驅型風電機組在德國獲得了快速增長。相對於電勵磁同步發電機而言，永磁同步發電機具有結構簡單、無須勵磁和

高效率等優點，已成為直驅型風電機組的主流發電機。例如，美國GE公司的GE4.0-110，以及德國西門子公司開發的3MW、6MW、7MW直驅型風電機組均采用了永磁同步發電機設計。另外，法國ALSTOM公司也研究了新一代6MW直驅海上風電機組，該機組采用了法國Converteam「高密度」直驅永磁發電機，並使其體積更小，質量更輕。另外，國外風電設備商還開發了半直驅風電機組，如富蘭德2.5MW和VestasV1647MW機組等。我國在「十五」末期就開始了永磁同步直驅型風電機組的研制，「十一五」期間在國家科技投入和產業政策的激勵下，以金風科技、湘電風能為代表的骨干風電企業，在技術引進和吸收消化的基礎上

，自主開發成功2～3MW功率等級的永磁同步全功率直驅型風電機組。「十二五」期間金風科技、湘電風能等通過努力又成功開發出5MW功率等級的永磁同步全功率直驅型風電機組，這標志着我國在大功率直驅型風電機組的研制能力上有了較大的提升。另外，哈飛工業公司在引進芬蘭1.0MW機組技術的基礎上成功研制出國內首台1.5MW半直驅型風電機組，並於2009年5月並網發電。另外廣東明陽風電和德國aerodyn公司聯合開發2.5～6.5MWSCD系列超緊湊風電機組，采用了永磁同步半直驅設計，具有重量輕、體積小、建設重量成本低、效率高等優點。2015年11月，沈陽華創風能公司自主開發的3MW半直驅風力發電機組在張北試驗

風場也順利並網運行。可見，我國在半直驅風電技術領域已邁出了堅實的一步。在變速恆頻風電機組中，風電變流器是風電機組中為核心和關鍵的部件之一，也是風電機組中較晚實現國產化的關鍵部件。長期以來，大容量風電變流器因技術及工藝設計難度大、可靠性要求高等因素而被ABB、西門子等國外幾個電氣巨頭所壟斷。我國在「十一五」、「十二五」期間，重點支持了風電變流器產品的國產化，並且通過國家「863」計划、國家科技支撐計划以及地方和企業的大量科技攻關項目的投入，開始了艱難的國產化道路。到「十一五」末，科技投入取得了明顯成果，一些廠商也具有一定的風電變流器開發與生產能力。經過「十二五」期間產業界的持續努力和競爭，風電變

流器的國產化技術已邁出了可喜而堅實的一步。禾望電氣、陽光電源、海得新能源、龍源電氣、上海電氣等一批企業的國產風電變流器產品脫穎而出，其產品獲得市場的認可，到「十二五」末，國產風電變流器占據了新增裝機90%以上的市場份額，真正使風電變流器實現了國產化。雖然國產風電變流器無論市場占有率還是技術性能都取得了突飛猛進的發展，但是在風電變流器的高效能控制、工藝優化設計和可靠性技術等方面，尤其是在超大容量風電變流器技術領域與ABB等國外公司同類產品相比仍然有差距，必須持續進行風電變流器的技術創新，才能真正實現趕超世界一流的目標。作者自「十五」末開展風電變流器技術的研究，並依托合肥工業大學電力電子與電力傳動

國家重點學科，與陽光電源股份有限公司開展了長期的產學研合作，完成了多項有關風電變流器技術研究的科研課題，相繼研究開發了2MW雙饋型風電變流器、3MW低壓和5MW中壓永磁同步直驅型風電變流器，並實現了產業化。在此基礎上，總結和編寫一本較為系統論述永磁同步全功率風電變流器及其控制的技術論着已顯得十分必要。然而，如何能編好一本適用於全功率風電變流器技術研究和產品開發的論着，對筆者而言一直感到是一件非常困難之事。好在已有多部介紹風力發電和其他可再生能源發電變流與控制的論着相繼出版，滿足了不同的讀者需求。本書以「永磁同步風力發電」以及「電力電子變流技術」理論為基礎，從永磁同步發電機（PMSG）及其控制策

略、PMSG變流器拓撲與控制，以及變流器主要部件工藝與設計等角度出發，系統討論了永磁同步全功率風電變流器及其控制技術，為相關研究和工程技術人員提供一定的理論和技術參考。本書由合肥工業大學張興教授與陽光電源股份有限公司董事長、合肥工業大學兼職博導曹仁賢研究員合作主編，合肥工業大學楊淑英副教授、王付勝副教授、謝震教授、闞超豪副教授、賴紀東博士等參加了編寫工作。另外，三菱電機機電（上海）有限公司馬先奎工程師，以及鷹峰電子科技有限公司李玉工程師、張偉君工程師、張雲雲工程師、王偉旭工程師合作編寫了第12章相關內容。具體編寫分工如下：其中，張興教授編寫了全書大綱、前言及第4、7、8、9章；曹仁賢研究員編寫

了第1、5章；楊淑英副教授編寫了第3章；王付勝副教授編寫了第6章；謝震教授編寫了第11章；闞超豪副教授編寫了第2章；賴紀東博士編寫了第10章；馬先奎工程師編寫了12.1節；李玉工程師編寫了12.2節；張偉君工程師編寫了12.3節；張雲雲工程師編寫了12.4節；王偉旭工程師編寫了12.5節。全書由張興教授和曹仁賢研究員統稿。在本書編寫過程中，得到了陽光電源股份有限公司副總裁屠運武博士、陽光電源風電事業部汪令祥博士、鄧立榮高工以及風電變流器項目組研發工程師們的大力協助和指導；博士生邵章平、任康樂、郭磊磊、劉萍，曹鵬鵬，碩士生董文傑、童誠、譚理華、丁傑、汪楊俊、汪天呈分別在直驅風電變流器技術、三電平

變流器控制、永磁同步電機控制、模塊化多電平變換器（MMC）技術、矩陣變換器（MC）技術、並網逆變器非線性控制以及電網適應性技術等相關內容方面提供了研究支撐，為編着完成本書打下了良好基礎；合肥工業大學丁明教授、蘇建徽教授和茆美琴教授對於本書的編寫也給予了大力支持，並具體指導了第10章的編寫；鷹峰電子科技有限公司的許颯女士和三菱電機機電（上海）有限公司的宋高升高工對第12章的編寫組織工作給予了很多的幫助。另外，在本書編着過程中還離不開團隊其他老師和研究生的大力協助，他們認真參與文檔整理、修訂、繪圖以及收集參考文獻等工作，並以讀者的視角提出了很多寶貴意見和建議，他們是：劉芳博士、李飛博士、王佳寧副教

授、馬明遙教授，博士生李浩源、王寶基、李明，碩士生石天宇、王濤、郭禮致、陸中凱、余世能、楊瑩、王志捷、任泰安、張家午。在此一並向他們表示衷心的感謝！最后，還要感謝湘電風能有限公司的龍辛教授級高工、副總經理宋曉萍博士，電氣總師熊弦高工以及相關工程技術人員，他們在筆者參與研制的陽光電源690V（2.5MW）以及3300V（5MW）永磁同步直驅風電變流器全工況測試方面給予了大力支持，並提出了諸多寶貴意見和建議。由於作者水平有限，疏漏甚至謬誤在所難免，敬請讀者不吝指教。