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| 內容簡介： |
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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。
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| 關於作者： |
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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。
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| 目錄：
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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
2.6MW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
3.1PMSG的矢量解耦控制策略74
3.1.1矢量控制原理74
3.1.2PMSG的磁场定向解耦控制75
3.1.3PMSG的弱磁控制77
3.1.4PMSG的效率最优控制78
3.2PMSG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
3.3PMSG的无速度传感器控制85
3.3.1PMSG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
3.4PMSG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
4.4.3HMPC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
4.5.2LCL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
5.3.1Vienna整流器的工作原理分析156
5.3.2Vienna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
6.2.1DPWM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
7.2H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
7.2.3H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
8.1MMC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
8.3MMC的等效模型电路、运行及调制原理237
8.3.1MMC等效模型电路238
8.3.2MMC运行原理及基本方程239
8.3.3MMC调制原理242
8.4MMC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
9.3.1CMC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
9.4.1TSMC的空间矢量调制策略286
9.4.2TSMC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
11.1PMSG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
11.4PMSG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
11.4.3DMSG变流器低电压穿越控制策略361
11.5PMSG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
11.5.2PMSG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
12.1.1IGBT模块选型的基本准则382
12.1.2IGBT模块电压和电流的选择383
12.1.3IGBT模块温升设计要求386
12.1.4IGBT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
12.2.6DC-link薄膜电容简介及其与铝电解电容对比404
12.2.7DC-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
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| 內容試閱：
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前 言
在过去的20年中，风力发电技术与产业获得高速发展，尤其是自2005 年起，全球风电增长势头迅猛。2015 年全球新增装机容量已达到63013MW，累计装机容量达到432419MW，实现了22%的年增长率。2015 年，中国风电新增装机30500MW，累计装机容量为145104MW，位居全球风电市场首位。显然，中国已发展成为名副其实的风电大国。
在当今大型风电机组中，变速恒频风电机组已占据主导地位，主要包括双馈型风电机组和全功率直驱（半直驱）型风电机组。双馈型风电机组采用部分功率变换，具有变流器容量小、成本低以及整机技术和产业链成熟等优势，目前依然是大型变速恒频并网风电机组的主流机型。然而，齿轮箱、双馈发电机的电刷和滑环也不可避免地增加了其故障率，另外，双馈型风电机组电网适应性相对较差，这些问题在一定程度上限制了双馈型风力发电系统的发展。而全功率直驱型风电机组，特别是永磁同步直驱型风电机组，由于没有齿轮箱、发电机的电刷和滑环等问题，且具有发动机效率高、电网适应性强等优点，近年来得以快速发展。然而，随着直驱型风电机组容量的进一步增加，低速永磁同步发电机的体积和重量在一定程度上制约了直驱型风电机组的发展，因此半直驱技术得到了业界的关注。半直驱风电机组兼顾了双馈和直驱型风电机组的优势，采用了一级（二级）低传动比齿轮箱设计，在提高发动机转速以减小其体积的同时，简化了齿轮箱结构，有效提高了齿轮箱的可靠性与使用寿命。直驱或半直驱型永磁同步风电机组均采用了全功率驱动技术，具有较好的电网适应性和较高的发动机效率。随着海上风电的兴起和超大容量风电机组的应用，直驱或半直驱永磁同步全功率风电机组将会迎来更好的发展机遇和前景。
实际上，早在1992年，德国ENERCON公司就率先开始研制直驱型电励磁同步风电机组，并相继开发出E-92、E-101、E-115、 E-126等型号产品。其中E-126是世界上批量生产的容量较大的直驱型风电机组，额定功率为6MW，可以升级到7MW。至2009年，直驱型风电机组占据德国风电市场55%以上的份额，可见直驱型风电机组在德国获得了快速增长。相对于电励磁同步发电机而言，永磁同步发电机具有结构简单、无须励磁和高效率等优点，已成为直驱型风电机组的主流发电机。例如，美国GE公司的GE4.0-110，以及德国西门子公司开发的3MW、6MW、7MW直驱型风电机组均采用了永磁同步发电机设计。另外，法国ALSTOM公司也研究了新一代6MW直驱海上风电机组，该机组采用了法国Converteam高密度直驱永磁发电机，并使其体积更小，质量更轻。另外，国外风电设备商还开发了半直驱风电机组，如富兰德2.5MW和Vestas V164 7MW机组等。
我国在十五末期就开始了永磁同步直驱型风电机组的研制，十一五期间在国家科技投入和产业政策的激励下，以金风科技、湘电风能为代表的骨干风电企业，在技术引进和吸收消化的基础上，自主开发成功2～3MW功率等级的永磁同步全功率直驱型风电机组。十二五期间金风科技、湘电风能等通过努力又成功开发出5MW功率等级的永磁同步全功率直驱型风电机组，这标志着我国在大功率直驱型风电机组的研制能力上有了较大的提升。另外，哈飞工业公司在引进芬兰1.0MW机组技术的基础上成功研制出国内首台1.5MW半直驱型风电机组，并于2009年5月并网发电。另外广东明阳风电和德国aerodyn公司联合开发2.5～6.5MW SCD系列超紧凑风电机组，采用了永磁同步半直驱设计，具有重量轻、体积小、建设重量成本低、效率高等优点。2015年11月，沈阳华创风能公司自主开发的3MW半直驱风力发电机组在张北试验风场也顺利并网运行。可见，我国在半直驱风电技术领域已迈出了坚实的一步。
在变速恒频风电机组中，风电变流器是风电机组中最为核心和关键的部件之一，也是风电机组中较晚实现国产化的关键部件。长期以来，大容量风电变流器因技术及工艺设计难度大、可靠性要求高等因素而被ABB、西门子等国外几个电气巨头所垄断。我国在十一五、十二五期间，重点支持了风电变流器产品的国产化，并且通过国家863计划、国家科技支撑计划以及地方和企业的大量科技攻关项目的投入，开始了艰难的国产化道路。到十一五末，科技投入取得了明显成果，一些厂商也具有一定的风电变流器开发与生产能力。经过十二五期间产业界的持续努力和竞争，风电变流器的国产化技术已迈出了可喜而坚实的一步。禾望电气、阳光电源、海得新能源、龙源电气、上海电气等一批企业的国产风电变流器产品脱颖而出，其产品获得市场的认可，到十二五末，国产风电变流器占据了新增装机90%以上的市场份额，真正使风电变流器实现了国产化。虽然国产风电变流器无论市场占有率还是技术性能都取得了突飞猛进的发展，但是在风电变流器的高效能控制、工艺优化设计和可靠性技术等方面，尤其是在超大容量风电变流器技术领域与ABB等国外顶级公司同类产品相比仍然有差距，必须持续进行风电变流器的技术创新，才能真正实现赶超世界一流的目标。
作者自十五末开展风电变流器技术的研究，并依托合肥工业大学电力电子与电力传动国家重点学科，与阳光电源股份有限公司开展了长期的产学研合作，完成了多项有关风电变流器技术研究的科研课题，相继研究开发了2MW双馈型风电变流器、3MW低压和5MW中压永磁同步直驱型风电变流器，并实现了产业化。在此基础上，总结和编写一本较为系统论述永磁同步全功率风电变流器及其控制的技术论著已显得十分必要。然而，如何能编好一本适用于全功率风电变流器技术研究和产品开发的论著，对笔者而言一直感到是一件非常困难之事。好在已有多部介绍风力发电和其他可再生能源发电变流与控制的论著相继出版，满足了不同的读者需求。本书以永磁同步风力发电以及电力电子变流技术理论为基础，从永磁同步发电机（PMSG）及其控制策略、PMSG变流器拓扑与控制，以及变流器主要部件工艺与设计等角度出发，系统讨论了永磁同步全功率风电变流器及其控制技术，为相关研究和工程技术人员提供一定的理论和技术参考。
本书由合肥工业大学张兴教授与阳光电源股份有限公司董事长、合肥工业大学兼职博导曹仁贤研究员合作主编，合肥工业大学杨淑英副教授、王付胜副教授、谢震教授、阚超豪副教授、赖纪东博士等参加了编写工作。另外，三菱电机机电（上海）有限公司马先奎工程师，以及鹰峰电子科技有限公司李玉工程师、张伟君工程师、张云云工程师、王伟旭工程师合作编写了第12章相关内容。具体编写分工如下：其中，张兴教授编写了全书大纲、前言及第4、7、8、9章；曹仁贤研究员编写了第1、5章；杨淑英副教授编写了第3章；王付胜副教授编写了第6章；谢震教授编写了第11章；阚超豪副教授编写了第2章；赖纪东博士编写了第10章；马先奎工程师编写了12.1节；李玉工程师编写了12.2节；张伟君工程师编写了12.3节；张云云工程师编写了12.4节；王伟旭工程师编写了12.5节。全书由张兴教授和曹仁贤研究员统稿。
在本书编写过程中，得到了阳光电源股份有限公司副总裁屠运武博士、阳光电源风电事业部汪令祥博士、邓立荣高工以及风电变流器项目组研发工程师们的大力协助和指导；博士生邵章平、任康乐、郭磊磊、刘萍，曹鹏鹏，硕士生董文杰、童诚、谭理华、丁杰、汪杨俊、汪天呈分别在直驱风电变流器技术、三电平变流器控制、永磁同步电机控制、模块化多电平变换器（MMC）技术、矩阵变换器（MC）技术、并网逆变器非线性控制以及电网适应性技术等相关内容方面提供了研究支撑，为编著完成本书打下了良好基础；合肥工业大学丁明教授、苏建徽教授和茆美琴教授对于本书的编写也给予了大力支持，并具体指导了第10章的编写；鹰峰电子科技有限公司的许飒女士和三菱电机机电（上海）有限公司的宋高升高工对第12章的编写组织工作给予了很多的帮助。另外，在本书编著过程中还离不开团队其他老师和研究生的大力协助，他们认真参与文档整理、修订、绘图以及收集参考文献等工作，并以读者的视角提出了很多宝贵意见和建议，他们是：刘芳博士、李飞博士、王佳宁副教授、马明遥教授，博士生李浩源、王宝基、李明，硕士生石天宇、王涛、郭礼致、陆中凯、余世能、杨莹、王志捷、任泰安、张家午。在此一并向他们表示衷心的感谢！
最后，还要感谢湘电风能有限公司的龙辛教授级高工、副总经理宋晓萍博士，电气总师熊弦高工以及相关工程技术人员，他们在笔者参与研制的阳光电源690V（2.5MW）以及3300V（5MW）永磁同步直驱风电变流器全工况测试方面给予了大力支持，并提出了诸多宝贵意见和建议。
由于作者水平有限，疏漏甚至谬误在所难免，敬请读者不吝指教。
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