本書針對全球主流并網型雙饋式和直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及儲能技術在可再生能源領域的應用展開研究。全書共13章，對風力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理、數學模型、仿真建模、運行與控制、低電壓穿越（LVRT）仿真與測試、混合儲能平滑風電出力、新型動態(tài)電壓恢復器提升風電LVRT能力，以及光伏電池的數學模型、儲能系統(tǒng)的能量管理、動態(tài)電壓恢復器提升光伏LVRT能力、風光儲一體化仿真建模等關鍵問題進行了深入細致的研究與探討，相關結論具有重要的理論意義與工程指導價值。本書集理論性、系統(tǒng)性、工程性、新穎性于一體，內容翔實、理論研究緊扣工程實踐，可為風力發(fā)電和光伏發(fā)電工程實踐提供一定的理論基礎和技術依據。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)人員及工程技術人員參考。
風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和使用，實現(xiàn)風電和光電的時空平移，既能削峰填谷，又能移峰錯谷，提升電網對風電和光電的消納能力，風光儲一體化發(fā)電可參與電網實時調度，實現(xiàn)電網多電源和諧發(fā)展，將逐步發(fā)展為電網友好型“綠色電力”。
雙饋式風電機組由于能夠變速運行、勵磁變頻器僅處理轉差功率而成為風電領域一種較先進和理想的技術，工業(yè)應用最為廣泛。雙饋式感應發(fā)電機（DoublyFed Induction Generator， DFIG）定子與電網直接相連，轉子由雙向變換器提供勵磁，通過定子磁鏈定向控制轉子勵磁電流的頻率、幅值和相位，實現(xiàn)轉子側交流勵磁，再通過電壓定向控制實現(xiàn)定子側“變速恒頻”和功率因數控制，實現(xiàn)DFIG柔性并網運行。
直驅式永磁同步發(fā)電機（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）轉子與風力機風輪直接連接，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、調速范圍寬等優(yōu)點，近年來在大功率風電機組領域應用非常廣闊。機組通過全功率變換器與電網相連，是保證并網電能質量的核心，一旦電網發(fā)生電壓跌落故障，由于發(fā)電機與電網實現(xiàn)了解耦，不會直接影響到風力機的運行特性，相對于雙饋式風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型雙饋式和直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)，以及儲能技術在可再生能源領域的應用等問題，對其數學模型、仿真建模、運行與控制、風電機組LVRT測試、新型不間斷動態(tài)電壓恢復器（Uninterruptible Dynamic Voltage Restorer，UDVR）提升風電/光電系統(tǒng)故障穿越能力、混合儲能平滑風電出力等關鍵問題進行了較深入研究。本書選題來源于風力發(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章由內蒙古電力科學研究院尹柏清高工編寫，第12章、第13章部分內容由北京航空航天大學陳明軒博士撰寫，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，其余內容均由內蒙古工業(yè)大學電力學院任永峰教授撰寫。
前言電網友好型風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，內蒙古電力科學研究院胡宏彬、劉海濤對本書的具體內容提出了一些建設性的指導意見，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基金（51567020、51367012）、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃（NCET.11.1018）、內蒙古自然科學 基金項目(2015MS0532、2011BS0903）、內蒙古“草原英才”工程(CYYC2013031)、內蒙古自治區(qū)高等學校青年科技英才支持計劃、內蒙古工業(yè)大學“電網友好型風力發(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)務水平和學識經驗，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雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)2
12直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)5
13光伏發(fā)電技術的研究現(xiàn)狀7
14儲能技術及其在可再生能源發(fā)電中的應用10
15可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越技術17
151風電機組LVRT標準的要求17
152風力發(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章雙饋式異步風力發(fā)電機數學模型21
21雙饋式電機的數學模型22
211功率不變約束條件下的坐標變換22
212繞組匝數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學模型29
214兩相同步旋轉坐標系下雙饋式電機動態(tài)數學模型(Kron方程)38
22雙饋式電機的標幺值方程43
23電網電壓不平衡時雙饋式電機和網側變換器的動態(tài)數學模型46
231電網電壓不平衡時雙饋式電機的動態(tài)數學模型46
232電網電壓不平衡時雙饋式電機網側變換器的動態(tài)數學模型48
第3章雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)并網運行與控制51
31轉子側變換器傳統(tǒng)PI控制器設計51
311電流環(huán)PI調節(jié)器設計51
312轉速環(huán)PI調節(jié)器設計53
32轉子側變換器內模控制器設計54
321IMC在電流環(huán)的應用54
322IMC在轉速環(huán)的應用56
33轉子側變換器改進的準PR控制57
34網側變換器的數學模型59
35網側變換器電網電壓定向矢量控制62
36網側變換器虛擬電網磁鏈定向矢量控制64
361虛擬電網磁鏈的引入64
362d軸虛擬電網磁鏈定向下PWM整流器的數學模型65
363虛擬電網磁鏈觀測器66
364d軸虛擬電網磁鏈定向PWM整流器矢量控制系統(tǒng)67
37網側變換器準PR控制67
371PR控制器及其特性67
372網側變換器的準PR矢量控制71
第4章雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)仿真研究72
41基于MATLAB的雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)仿真72
411轉子側變換器控制系統(tǒng)仿真模型72
412網側變換器控制系統(tǒng)仿真模型72
413雙饋式風電系統(tǒng)仿真模型74
4142MW雙饋式風力發(fā)電并網仿真分析75
42基于PSCAD的雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)仿真77
421轉子側變換器控制系統(tǒng)仿真模型77
422網側變換器控制系統(tǒng)仿真模型78
423風力機及變槳距仿真模型78
424基于PSCAD的雙饋式風電系統(tǒng)仿真模型82
425MW級雙饋式風力發(fā)電柔性并網仿真結果分析82
43基于RTDS的雙饋式風電系統(tǒng)仿真研究84
431基于RTDS的雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)建模84
432轉子側變換器仿真84
433網側變換器仿真88
434基于RTDS的雙饋式風電機組LVRT仿真92
第5章直驅式永磁同步風力發(fā)電機數學模型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永磁同步電機的數學模型113
第6章直驅式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)并網運行與控制116
61直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)并網方式概述116
62直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)的幾種全功率變換器拓撲結構116
621不可控整流器+PWM電壓源型逆變器拓撲結構117
622背靠背雙PWM電壓型變換器拓撲結構117
623 二極管鉗位型拓撲結構118
624級聯(lián)H橋型拓撲結構119
625飛跨電容型拓撲結構120
63機側PWM變換器及其控制121
631機側PWM變換器的數學模型121
632機側PWM變換器的運行控制及仿真分析123
64網側PWM變換器及其控制128
641兩電平PWM變換器的數學模型128
642三電平PWM變換器的數學模型132
643網側PWM變換器的運行控制及仿真分析133
第7章永磁直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)仿真建模研究137
71直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)并網仿真137
711直驅式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)在PSCAD/EMTDC中建模137
712風力機的模型137
713發(fā)電機側控制器的建模138
714電網側控制器建模138
715仿真結果分析141
72基于二極管中點鉗位（NPC）型三電平變換器的永磁直驅式風電系統(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式風電系統(tǒng)并網仿真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直流側增加儲能的永磁直驅式風電系統(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式風電機組LVRT仿真分析166
74基于復合儲能的直驅式風電機組建模仿真170
741基于復合儲能的直驅式風電系統(tǒng)仿真模型170
742基于復合儲能的直驅式風電機組LVRT仿真分析170
743平滑風電出力仿真分析175
第8章面向風電系統(tǒng)的DVR基本原理與控制策略179
81風電系統(tǒng)中常見電網故障類型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構造虛擬三相的dq檢測法182
823單相求導法的αβdq變換182
83電壓正負序分離方法184
831不平衡電網電壓描述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)結構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等效數學模型198
862PR控制器及特性分析199
863基于準PR控制器的復合控制策略203
864復合控制策略性能分析205
第9章儲能型DVR提升風電/光伏LVRT能力208
91DVR提升雙饋式風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)直驅式風電機組故障穿越仿真研究226
921采用卸荷電路實現(xiàn)直驅式風電機組LVRT運行229
922改進控制策略實現(xiàn)直驅式風電機組LVRT運行230
923新型混合儲能實現(xiàn)直驅式風電機組LVRT運行231
924UDVR實現(xiàn)直驅式風電機組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章風電機組LVRT測試實例244
101LVRT技術研究的必要性244
102現(xiàn)有的LVRT技術246
1021雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)LVRT技術246
1022直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)LVRT技術249
103測試設備及程序251
1031風電機組LVRT測試設備252
1032風電機組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章光伏電池數學建模與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學模型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蓄電池的數學模型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變換器的數學模型291
1252三重化雙向DC/DC變換器的控制策略294
第13章風光儲發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真296
131風光儲發(fā)電系統(tǒng)簡介296
132風力發(fā)電和光伏發(fā)電的隨機性及波動性分析297
133風力發(fā)電和光伏發(fā)電的功率數據問題與處理299
134風光儲系統(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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