永磁同步全功率风力发电变流器及其控制

本书以“永磁同步风力发电”和“电力电子变流技术”为基础，从永磁同步发电机及其控制策略、各种变流器拓扑与控制，以及变流器主要电气部件工艺与设计等角度出发，系统讨论了永磁同步发电机、永磁同步发电机控制、网侧变流器的控制、基于不控整流型的PMSG变流器、基于三电平拓扑的PMSG变流器、基于级联多电平拓扑的PMSG变流器、基于模块化多电平变流器拓扑的PMSG变流器、基于矩阵变换器拓扑的PMSG变流器、基于电流源变流器拓扑的PMSG变流器、PMSG变流器的电网适应性控制，以及风电变流器主要部件工艺与设计等内容，为永磁同步全功率风电变流器技术的应用与研究提供一定的理论与技术参考。本书适合风电变流器、大功率变流器及其设计、永磁同步电机控制和可再生能源并网技术等领域的研究与工程技术人员阅读，也可作为高校从事电力电子技术教学和研究的教师、研究生的参考书。

教授，博士生导师，中国电源学会特种电源专委会委员，安徽省中青年骨干教师，合肥工业大学“电力电子与电力传动”国家级重点学科骨干成员。 近二十年余来一直从事电力电子与电力传动、自动控制、新能源发电技术的教学与科研工作。主持、参与国家和省部级科技攻关项目多项，发表学术论文多篇，出版学术著作多部。

目 录
第1章 绪论1
1.1 风力发电技术及其产业发展1
1.1.1 全球风电发展现状1
1.1.2 中国风电发展概述4
1.2 风力发电系统概述5
1.2.1 风力发电基本原理5
1.2.2 风力发电机的分类6
1.2.3 风力发电机的组成8
1.2.4 风电机组的功率控制15
1.3 并网型风电机组的主要结构类型18
1.3.1 定速型风电机组18
1.3.2 变速恒频型风电机组19
1.4 永磁同步全功率风电变流器概述20
1.4.1 永磁同步全功率风机变流器拓扑20
1.4.2 主要全功率风机变流器简介25
参考文献30
第2章 永磁直驱同步发电机32
2.1 概述32
2.2 永磁直驱同步风力发电机的结构及分类33
2.3 永磁材料36
2.3.1 铁磁材料的磁化曲线36
2.3.2 永磁材料的性能指标37
2.3.3 永磁材料的分类及钕铁硼永磁材料39
2.3.4 永磁材料的选用原则42
2.4 永磁同步发电机的磁路计算43
2.4.1 永磁同步发电机的等效磁路43
2.4.2 永磁体工作点的确定49
2.5 永磁同步发电机的运行特性50
2.5.1 电压方程和相量图50
2.5.2 永磁同步发电机的电枢反应及电枢反应电感51
2.5.3 永磁同步发电机的功率方程和功角特性52
2.5.4 永磁同步发电机的外特性和固有电压调整率53
2.5.5 永磁同步发电机的短路问题54
2.5.6 电压波形正弦性畸变率54
2.5.7 永磁同步发电机的损耗和效率55
2.6 MW级永磁同步风力发电机的电磁设计57
2.6.1 电磁设计的特点57
2.6.2 电磁设计的要点58
2.7 永磁同步发电机的温升与冷却67
2.7.1 永磁同步发电机的温升67
2.7.2 永磁同步发电机的传热分析68
2.7.3 永磁同步发电机的最高温升70
2.7.4 永磁同步发电机的冷却71
2.8 本章小结72
参考文献72
第3章 永磁同步发电机的控制74
3.1 PMSG的矢量解耦控制策略74
3.1.1 矢量控制原理74
3.1.2 PMSG的磁场定向解耦控制75
3.1.3 PMSG的弱磁控制77
3.1.4 PMSG的效率最优控制78
3.2 PMSG的直接转矩控制79
3.2.1 直接转矩控制原理79
3.2.2 定子磁链的估计82
3.2.3 定子电流的最小化控制84
3.3 PMSG的无速度传感器控制85
3.3.1 PMSG无速度传感器控制概述85
3.3.2 基于锁相环和模型参考自适应的PMSG无速度传感器控制89
3.3.3 基于滑模观测器的PMSG无速度传感器控制91
3.4 PMSG的参数辨识98
3.4.1 参数辨识方法概述98
3.4.2 基于最小二乘法的永磁同步发电机参数辨识99
3.4.3 基于矢量控制系统的直接参数辨识法102
3.5 本章小结103
参考文献104
第4章 网侧变流器的控制109
4.1 概述109
4.2 网侧变流器的重复控制策略111
4.2.1 重复控制基本原理及其设计方法112
4.2.2 传统重复控制结构问题分析114
4.2.3 一种改进的重复控制结构118
4.3 网侧变流器的无差拍控制122
4.3.1 系统物理电路的离散化模型122
4.3.2 无差拍控制的一般方法123
4.4 网侧变流器的模型预测控制126
4.4.1 系统模型的建立127
4.4.2 滞环模型预测控制原理128
4.4.3 HMPC控制系统谐振特性分析及其抑制129
4.5 网侧变流器的LCL滤波器及其改进133
4.5.1 采用LCL滤波器时网侧变流器输出滤波性能分析133
4.5.2 LCL滤波器改进拓扑的分析比较136
4.6 本章小结141
参考文献141
第5章 基于不控整流型的PMSG变流器143
5.1 基于不控整流的PMSG变流器143
5.2 基于Boost不控整流型PMSG变流器145
5.2.1 采用无源PFC的基于Boost不控整流型PMSG变流器146
5.2.2 采用有源PFC的基于Boost不控整流型PMSG变流器147
5.2.3 基于Boost不控整流型PMSG变流器的控制153
5.3 基于Vienna整流器的PMSG变流器155
5.3.1 Vienna整流器的工作原理分析156
5.3.2 Vienna整流器的控制158
5.4 本章小结159
参考文献160
第6章 基于三电平拓扑的PMSG变流器161
6.1 三电平PMSG变流器的基本拓扑结构和关键技术161
6.1.1 基于二极管箝位型三电平拓扑结构161
6.1.2 基于飞跨电容的三电平拓扑结构162
6.1.3 三电平变流器的关键技术163
6.2 三电平PMSG变流器调制策略和网侧滤波器的优化170
6.2.1 DPWM调制策略比较分析171
6.2.2 网侧滤波器的优化设计175
6.3 基于模块化并联的三电平PMSG变流器178
6.3.1 模块化并联方案及其控制179
6.3.2 模块化并联变流器的零序环流分析182
6.3.3 模块化并联三电平的零序环流抑制188
6.4 小结196
参考文献196
第7章 基于级联多电平拓扑的PMSG变流器199
7.1 概述199
7.2 H桥级联型多电平逆变电路与多相PSMG200
7.2.1 基于H桥逆变器的功率单元电路200
7.2.2 基于H桥级联型多电平逆变器拓扑201
7.2.3 H桥级联型逆变器工作原理202
7.2.4 单相级联H桥的并网控制205
7.2.5 多相永磁同步发电机208
7.3 采用级联多电平技术的PMSG风电变流器拓扑与控制209
7.3.1 基于不控整流级联型PMSG风电变流器209
7.3.2 基于可控整流级联型PMSG风电变流器212
7.4 级联多电平逆变器的调制策略216
7.4.1 级联多电平逆变器的调制216
7.4.2 阶梯波调制法216
7.4.3 载波调制PWM法218
7.4.4 空间矢量调制法223
7.4.5 单极性倍频载波相移调制法的谐波特性225
7.5 本章小结228
参考文献228
第8章 基于MMC拓扑的PMSG变流器231
8.1 MMC概述231
8.2 基于MMC拓扑的风电变流器及其直流输电系统233
8.3 MMC的等效模型电路、运行及调制原理237
8.3.1 MMC等效模型电路238
8.3.2 MMC运行原理及基本方程239
8.3.3 MMC调制原理242
8.4 MMC电容电压平衡策略244
8.4.1 同一桥臂内子模块电容电压的平衡控制策略245
8.4.2 桥臂电压均衡控制策略248
8.4.3 输出低频交流时电容电压脉动抑制策略253
8.5 本章小结258
参考文献259
第9章 基于矩阵变换器（MC）拓扑的 PMSG变流器261
9.1 概述261
9.1.1 常规矩阵变换器（CMC）的研究概况262
9.1.2 双级矩阵变换器（TSMC）的研究概况263
9.1.3 基于MC的商用变频器开发264
9.1.4 基于MC的双馈风电变流器技术265
9.2 基于MC的PMSG直驱式风力发电系统265
9.2.1 基于CMC-PMSG的直驱式风力发电系统266
9.2.2 基于TSMC-PMSG的直驱式风力发电系统266
9.2.3 基于SSMC -PMSG的直驱式风力发电系统267
9.2.4 基于RMC -PMSG的直驱式风力发电系统267
9.2.5 基于MC的PMSG变流器控制策略268
9.3 常规矩阵变换器（CMC）的间接空间矢量调制策略269
9.3.1 CMC基本原理269
9.3.2 等效交—直—交结构的空间矢量调制275
9.3.3 改进的降低开关损耗的的调制策略282
9.3.4 四步换流策略284
9.4 双级矩阵变换器（TSMC）的调制策略286
9.4.1 TSMC的空间矢量调制策略286
9.4.2 TSMC的共模电压抑制293
9.5 基于CMC的控制器设计296
9.5.1 控制电路结构296
9.5.2 解码器297
9.5.3 延迟器299
9.5.4 四步换流开关序列300
9.6 本章小结300
参考文献301
第10章 基于电流源型变流器（CSC）拓扑的PMSG变流器303
10.1 概述303
10.2 基于系统运行电流优化的CSC-PMSG协调控制策略304
10.2.1 电流源型变流器直流电流控制304
10.2.2 满足发电机控制要求的CSC最小直流电流控制306
10.2.3 满足并网要求的CSC最小直流电流控制308
10.2.4 运行电流优化的CSC-PMSG系统协调控制方案311
10.2.5 电流优化控制策略仿真验证313
10.3 网侧逆变器并网控制策略315
10.3.1 电流源型并网逆变器主电路拓扑316
10.3.2 电流内环变结构并网控制策略317
10.3.3 控制策略仿真验证329
10.4 本章小结333
参考文献333
第11章 PMSG变流器的电网适应性控制336
11.1 PMSG变流器的电网适应性控制概述336
11.2 电网电压不平衡条件下PMSG变流器控制337
11.2.1 不平衡控制关键技术337
11.2.2 网侧变流器的不平衡控制策略345
11.3 电网电压谐波下的PMSG变流器控制354
11.3.1 电网电压谐波下的PMSG变流器数学模型354
11.3.2 电网电压谐波下的PMSG变流器控制策略355
11.4 PMSG变流器低电压穿越（LVRT）及其控制策略358
11.4.1 风力发电低电压穿越的标准358
11.4.2 电网电压跌落的类型和特点360
11.4.3 DMSG变流器低电压穿越控制策略361
11.5 PMSG变流器高电压穿越（HVRT）及其控制策略374
11.5.1 高电压穿越（HVRT）的背景和研究现状374
11.5.2 PMSG变流器高电压穿越控制策略376
11.6 本章小结378
参考文献379
第12章 风电变流器主要部件工艺与设计381
12.1 变流器开关器件选型381
12.1.1 IGBT模块选型的基本准则382
12.1.2 IGBT模块电压和电流的选择383
12.1.3 IGBT模块温升设计要求386
12.1.4 IGBT模块绝缘耐压的选择392
12.2 薄膜电容概述393
12.2.1 薄膜电容器及其基本构造393
12.2.2 薄膜电容基本参数、等效模型以及主要参数间关系395
12.2.3 常见薄膜材料参数比较397
12.2.4 薄膜电容器常用填充材料399
12.2.5 薄膜电容的工艺技术402
12.2.6 DC-link薄膜电容简介及其与铝电解电容对比404
12.2.7 DC-link薄膜电容在风电变流器中的应用404
12.3 低电压穿越电阻概述及应用406
12.3.1 低电压穿越电阻简介406
12.3.2 低电压穿越电阻的应用与市场407
12.3.3 低电压穿越电阻材料的选择407
12.3.4 低电压穿越电阻的1