电网友好型风光储一体化仿真与控制

《电网友好型风光储一体化仿真与控制》涉及可再生能源、电力电子技术、电气传动、电力系统等众多领域，对促进我国并网型风力发电人才培养具有一定推动作用。随着发展可再生能源成为全球的共识，从事相关领域研究工作的科研工作者也大幅增加，尤其是现场技术人员，对该图书的销量会起很大促进作用。 

本书针对全球主流并网型双馈式和直驱式风力发电系统、光伏发电系统以及储能技术在可再生能源领域的应用展开研究。全书共13章，对风力发电系统的工作原理、数学模型、仿真建模、运行与控制、低电压穿越（LVRT）仿真与测试、混合储能平滑风电出力、新型动态电压恢复器提升风电LVRT能力，以及光伏电池的数学模型、储能系统的能量管理、动态电压恢复器提升光伏LVRT能力、风光储一体化仿真建模等关键问题进行了深入细致的研究与探讨，相关结论具有重要的理论意义与工程指导价值。本书集理论性、系统性、工程性、新颖性于一体，内容翔实、理论研究紧扣工程实践，可为风力发电和光伏发电工程实践提供一定的理论基础和技术依据。本书可用作高等院校新能源发电专业的本科生教材和相关专业研究生科研参考书，也可供从事可再生能源发电的研发人员及工程技术人员参考。

目录
前言
第1章绪论1
11双馈式风力发电系统2
12直驱式永磁同步风力发电系统5
13光伏发电技术的研究现状7
14储能技术及其在可再生能源发电中的应用10
15可再生能源发电系统的故障穿越技术17
151风电机组LVRT标准的要求17
152风力发电LVRT的实现方法18
153光伏电站LVRT标准的要求19
154光伏电站LVRT的实现方法20
第2章双馈式异步风力发电机数学模型21
21双馈式电机的数学模型22
211功率不变约束条件下的坐标变换22
212绕组匝数不变约束条件下的坐标变换28
213三相静止坐标系下双馈式电机的多变量数学模型29
214两相同步旋转坐标系下双馈式电机动态数学模型(Kron方程)38
22双馈式电机的标幺值方程43
23电网电压不平衡时双馈式电机和网侧变换器的动态数学模型46
231电网电压不平衡时双馈式电机的动态数学模型46
232电网电压不平衡时双馈式电机网侧变换器的动态数学模型48
第3章双馈式风力发电系统并网运行与控制51
31转子侧变换器传统PI控制器设计51
311电流环PI调节器设计51
312转速环PI调节器设计53
32转子侧变换器内模控制器设计54
321IMC在电流环的应用54
322IMC在转速环的应用56
33转子侧变换器改进的准PR控制57
34网侧变换器的数学模型59
35网侧变换器电网电压定向矢量控制62
36网侧变换器虚拟电网磁链定向矢量控制64
361虚拟电网磁链的引入64
362d轴虚拟电网磁链定向下PWM整流器的数学模型65
363虚拟电网磁链观测器66
364d轴虚拟电网磁链定向PWM整流器矢量控制系统67
37网侧变换器准PR控制67
371PR控制器及其特性67
372网侧变换器的准PR矢量控制71
第4章双馈式风力发电系统仿真研究72
41基于MATLAB的双馈式风力发电系统仿真72
411转子侧变换器控制系统仿真模型72
412网侧变换器控制系统仿真模型72
413双馈式风电系统仿真模型74
4142MW双馈式风力发电并网仿真分析75
42基于PSCAD的双馈式风力发电系统仿真77
421转子侧变换器控制系统仿真模型77
422网侧变换器控制系统仿真模型78
423风力机及变桨距仿真模型78
424基于PSCAD的双馈式风电系统仿真模型82
425MW级双馈式风力发电柔性并网仿真结果分析82
43基于RTDS的双馈式风电系统仿真研究84
431基于RTDS的双馈式风力发电系统建模84
432转子侧变换器仿真84
433网侧变换器仿真88
434基于RTDS的双馈式风电机组LVRT仿真92
第5章直驱式永磁同步风力发电机数学模型96
51同步电动机的分类96
52同步电机的基本方程97
521定子电路方程98
522转子电路方程101
53dq0坐标变换101
54同步电机的标幺值方程106
55永磁同步电机的数学模型113
第6章直驱式永磁风力发电系统并网运行与控制116
61直驱式风力发电系统并网方式概述116
62直驱式风力发电系统的几种全功率变换器拓扑结构116
621不可控整流器 PWM电压源型逆变器拓扑结构117
622背靠背双PWM电压型变换器拓扑结构117
623 二极管钳位型拓扑结构118
624级联H桥型拓扑结构119
625飞跨电容型拓扑结构120
63机侧PWM变换器及其控制121
631机侧PWM变换器的数学模型121
632机侧PWM变换器的运行控制及仿真分析123
64网侧PWM变换器及其控制128
641两电平PWM变换器的数学模型128
642三电平PWM变换器的数学模型132
643网侧PWM变换器的运行控制及仿真分析133
第7章永磁直驱式风力发电系统仿真建模研究137
71直驱式风力发电系统并网仿真137
711直驱式永磁同步发电系统在PSCAD/EMTDC中建模137
712风力机的模型137
713发电机侧控制器的建模138
714电网侧控制器建模138
715仿真结果分析141
72基于二极管中点钳位（NPC）型三电平变换器的永磁直驱式风电系统145
721三电平逆变器基本理论145
722三电平SVPWM的算法146
723三电平逆变器的MATLAB仿真152
724基于三电平变换器的永磁直驱式风电系统并网仿真156
73实现LVRT仿真分析163
731适用于直流环节的保护方案分析163
732直流侧增加储能的永磁直驱式风电系统164
733双向DC/DC变换器的控制策略165
734基于超级电容储能的直驱式风电机组LVRT仿真分析166
74基于复合储能的直驱式风电机组建模仿真170
741基于复合储能的直驱式风电系统仿真模型170
742基于复合储能的直驱式风电机组LVRT仿真分析170
743平滑风电出力仿真分析175
第8章面向风电系统的DVR基本原理与控制策略179
81风电系统中常见电网故障类型179
82电压幅值和相角检测方法180
821三相abcdq的派克变换检测算法181
822构造虚拟三相的dq检测法182
823单相求导法的αβdq变换182
83电压正负序分离方法184
831不平衡电网电压描述185
832常规典型正负序分离方法187
833基于谐振控制器的正负序分离方法189
84DFIGDVR系统拓扑及工作原理192
85DVR主电路系统结构194
851逆变单元195
852耦合单元195
853滤波单元196
854直流储能单元197
86DVR逆变单元控制策略197
861DVR等效数学模型198
862PR控制器及特性分析199
863基于准PR控制器的复合控制策略203
864复合控制策略性能分析205
第9章储能型DVR提升风电/光伏LVRT能力208
91DVR提升双馈式风电机组故障穿越仿真研究208
911三相对称故障下DFIG机组LVRT仿真209
912三相不对称故障下DFIG机组LVRT仿真218
924种方式实现直驱式风电机组故障穿越仿真研究226
921采用卸荷电路实现直驱式风电机组LVRT运行229
922改进控制策略实现直驱式风电机组LVRT运行230
923新型混合储能实现直驱式风电机组LVRT运行231
924UDVR实现直驱式风电机组LVRT运行232
93DVR提升MW级光伏发电系统故障穿越仿真研究234
931PCC发生三相对称故障时PVG系统的LVRT仿真237
932PCC发生不对称故障时PVG系统的LVRT仿真240
第10章风电机组LVRT测试实例244
101LVRT技术研究的必要性244
102现有的LVRT技术246
1021双馈式风力发电系统LVRT技术246
1022直驱式风力发电系统LVRT技术249
103测试设备及程序251
1031风电机组LVRT测试设备252
1032风电机组LVRT测试程序253
104双馈式机组LVRT测试实例分析253
1041电压跌落至75%Ue254
1042电压跌落至50%Ue256
1043电压跌落至20%Ue259
105直驱式机组LVRT测试实例分析262
1051电压跌落至75%Ue262
1052电压跌落至50%Ue265
1053电压跌落至20%Ue267
第11章光伏电池数学建模与MPPT控制271
111光伏电池的工作原理271
112光伏电池的等效电路及数学模型271
113光伏电池输出特性的仿真分析274
114MPPT控制与仿真275
1141MPPT控制276
1142DC/DC变换器277
1143PWM控制278
115MPPT仿真分析279
1151标准工况下光伏阵列仿真分析279
1152光照强度变化时光伏阵列仿真分析280
1153温度变化时光伏阵列仿真分析281
第12章储能系统与能量管理策略283
121储能PCS简介283
122蓄电池285
1221蓄电池的充放电特性285
1222蓄电池的数学模型286
123超级电容器288
124全钒液流电池288
125双向DC/DC变换器建模与仿真291
1251三重化双向DC/DC变换器的数学模型291
1252三重化双向DC/DC变换器的控制策略294
第13章风光储发电系统建模与仿真296
131风光储发电系统简介296
132风力发电和光伏发电的随机性及波动性分析297
133风力发电和光伏发电的功率数据问题与处理299
134风光储系统中的储能容量配置方法304
1341单一储能类型系统控制与配置305
1342混合储能系统308
135光伏逆变器的建模与仿真315
1351单台光伏逆变器的建模与控制315
1352多台光伏逆变器并联运行与环流分析318
136光伏发电系统LVRT运行326
1361电网故障时Crowbar电路的保护策略327
1362Crowbar电路的控制策略329
1363基于Crowbar电路的LVRT仿真329
参考文献333

前言
风能和太阳能作为人类取之不尽、用之不竭、环境友好的可再生能源，是目前新能源发电中技术成熟、规模、商业化发展好的两种发电方式，高效储能系统可调节发、供电之间的时差矛盾，能够从时空两域有效地隔离电能的生产和使用，实现风电和光电的时空平移，既能削峰填谷，又能移峰错谷，提升电网对风电和光电的消纳能力，风光储一体化发电可参与电网实时调度，实现电网多电源和谐发展，将逐步发展为电网友好型“绿色电力”。
双馈式风电机组由于能够变速运行、励磁变频器仅处理转差功率而成为风电领域一种较先进和理想的技术，工业应用为广泛。双馈式感应发电机（DoublyFed Induction Generator， DFIG）定子与电网直接相连，转子由双向变换器提供励磁，通过定子磁链定向控制转子励磁电流的频率、幅值和相位，实现转子侧交流励磁，再通过电压定向控制实现定子侧“变速恒频”和功率因数控制，实现DFIG柔性并网运行。
直驱式永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）转子与风力机风轮直接连接，省去了高故障率的齿轮箱，具有机械损耗小、运行效率高、维护成本低、调速范围宽等优点，近年来在大功率风电机组领域应用非常广阔。机组通过全功率变换器与电网相连，是保证并网电能质量的核心，一旦电网发生电压跌落故障，由于发电机与电网实现了解耦，不会直接影响到风力机的运行特性，相对于双馈式风电机组具有更强的低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）能力。
太阳能资源具有清洁无害、安全便利、可永续使用等特点，可以多种方式开发利用，其中光伏发电（Photovoltaic Generation，PVG）联网运行是实现太阳能大规模开发利用的重要途径，近年来随着技术成熟和单价的降低得到了迅猛发展，已成为实现能源多样化、应付环境危机和实现社会可持续发展的重要替代能源。国内光伏发电以大规模集中开发、中高压接入、高压远距离外送消纳格局为主。
本书针对全球主流并网型双馈式和直驱式风力发电系统、光伏发电系统，以及储能技术在可再生能源领域的应用等问题，对其数学模型、仿真建模、运行与控制、风电机组LVRT测试、新型不间断动态电压恢复器（Uninterruptible Dynamic Voltage Restorer，UDVR）提升风电/光电系统故障穿越能力、混合储能平滑风电出力等关键问题进行了较深入研究。本书选题来源于风力发电和光伏发电的仿真与建模、运行与控制、测试与分析的科研实践，力求内容系统、完整，从多角度进行理论分析、仿真验证与工程实例研究，以拙见飨读者，期望达到抛砖引玉的效果。
本书第5章、第6章部分内容由北京天润新能投资有限公司华北分公司薛宇工程师撰写，第10章由内蒙古电力科学研究院尹柏清高工编写，第12章、第13章部分内容由北京航空航天大学陈明轩博士撰写，第7章由乌兰察布市供电局布赫工程师撰写，第8章由乌兰察布市供电局孙伟工程师撰写，其余内容均由内蒙古工业大学电力学院任永峰教授撰写。
前言电网友好型风光储一体化仿真与控制在本书撰写过程中，作者的多位研究生参与了前期文字、插图录入和后期的校对工作，分别是李兴刚、牛海伟、刘峰、徐少华、鞠天广、韩洲、柳福、孟志宏、杜鹏飞、郭锦韦、胡志帅、从旭光、廉茂航、邱玮、杨帆、康飞鹏，他们为本书的顺利出版奉献了辛勤的劳动和汗水，做出了重要贡献。
在本书撰写过程中，内蒙古电力科学研究院胡宏彬、刘海涛对本书的具体内容提出了一些建设性的指导意见，在此谨向他们致以诚挚的谢意。本书的完成也得益于前人所做的工作，在此对本书所参考的有关书籍、期刊论文等的原作者表示感谢。
本书得到国家自然科学基金（51567020、51367012）、*新世纪优秀人才支持计划（NCET111018）、内蒙古自然科学基金项目(2015MS0532、2011BS0903）、内蒙古“草原英才”工程(CYYC2013031)、内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划、内蒙古工业大学“电网友好型风力发电运行与控制”创新团队的大力资助，作者在此深表谢意！
本书得以付梓，得到了机械工业出版社的大力支持，尤其是付承桂编辑倾注了大量精力，特此致谢！
限于作者的业务水平和学识经验，书中疏漏、谬误与不当之处在所难免，恳请同行专家和广大读者不吝批评指正。