双馈风力发电系统的建模、仿真与控制

电力电子新技术系列图书序言

前言

本书涉及的常用符号表

第1 章　绪论 1

1. 1　风能开发与利用 1

1. 1. 1　能源危机问题 1

1. 1. 2　生态环境问题 1

1. 1. 3　风能开发与利用 2

1. 2　风力发电系统技术发展 6

1. 2. 1　恒速恒频风力发电系统 7

1. 2. 2　变速恒频风力发电系统 7

1. 3　双馈感应电机风力发电系统描述 12

1. 3. 1　双馈感应电机风力发电系统接入电网方式 12

1. 3. 2　双馈感应电机风力发电系统功率变换器技术 14

1. 3. 3　双馈感应电机技术 18

1. 3. 4　双馈感应电机风力发电系统典型拓扑结构及其优点 19

1. 3. 5　双馈感应电机风力发电系统控制技术 21

1. 4　本书内容概述 24

参考文献 26

第2 章　风力发电系统基本概念及其基础理论 30

2. 1　风力发电系统的基本概念 30

2. 1. 1　风力发电系统基本组成 30

2. 1. 2　风轮结构 32

2. 1. 3　风轮功率控制 32

2. 2　风力发电系统理论基础 34

2. 2. 1　风能 34

2. 2. 2　贝兹极限 35

2. 2. 3　风轮的特性系数 37

2. 2. 4　Cp λ 曲线 39

2. 2. 5　CT λ 曲线 40

2. 2. 6　风轮输出功率表达式 41

2. 2. 7　风轮输出转矩表达式 43

2. 3　变速风力发电系统功率控制分区 44

2. 4　变速风力发电系统转速控制分区 46

2. 4. 1　变速风力发电系统最小和最大转速控制 47

2. 4. 2　变速风力发电系统额定功率控制 48

2. 4. 3　变速风力发电系统最大风能跟踪控制 49

2. 5　小结 51

参考文献 52

第3 章　双馈感应电机稳态数学模型及其运行 53

3. 1　双馈感应电机的结构及其优点 53

3. 2　双馈感应电机基本概念 54

3. 2. 1　双馈感应电机的电磁力 54

3. 2. 2　转速差和转差率概念 55

3. 2. 3　双馈感应电机转子频率 56

3. 2. 4　双馈感应电机稳态等效电路 57

3. 2. 5　双馈感应电机稳态数学模型及其相量图 62

3. 3　双馈感应电机的稳态运行 66

3. 3. 1　双馈感应电机基本有功功率流动及其平衡关系 66

3. 3. 2　转子铜耗和转换功率的分解 67

3. 3. 3　双馈感应电机有功功率计算 70

3. 3. 4　双馈感应电机电磁转矩计算 72

3. 3. 5　双馈感应电机无功功率计算 73

3. 3. 6　双馈感应电机有功功率、电磁转矩和转速之间的近似关系 74

3. 3. 7　双馈感应电机四象限运行 75

3. 3. 8　双馈风力发电系统变速恒频运行 78

3. 3. 9　双馈感应电机稳态数学模型标幺值系统 79

3. 4　小结 82

参考文献 83

第4 章　双馈感应电机动态数学模型 84

4. 1　三相自然静止ABC/ abc 坐标系下双馈感应电机的数学模型 84

4. 2　两相正交坐标系下双馈感应电机数学模型 91

4. 2. 1　坐标变换 91

4. 2. 2　两相任意旋转dq0 坐标系下的双馈感应电机数学模型 93

4. 2. 3　静止αβ 坐标系下的双馈感应电机数学模型 100

4. 2. 4　同步旋转xy 坐标系下的双馈感应电机数学模型 102

4. 3　双馈感应电机在正交坐标系下的状态方程 104

4. 3. 1　任意旋转dq0 坐标系下双馈感应电机状态方程 104

4. 3. 2　两相静止αβ 坐标系下双馈感应电机状态方程 106

4. 3. 3　两相同步xy 坐标系下双馈感应电机状态方程 107

4. 4　双馈感应电机数学模型的空间矢量表征 108

4. 4. 1　空间矢量概念 108

4. 4. 2　三相自然静止坐标系下的双馈感应电机数学模型空间矢量表征 109

4. 4. 3　任意旋转两相dq 坐标系下双馈感应电机数学模型空间矢量表征 110

4. 5　标幺值系统及其转换 112

4. 6　双馈感应电机仿真模型实现 116

4. 7　小结 118

参考文献 118

第5 章　背靠背功率变换器数学模型及其控制技术 119

5. 1　交直交电压型功率变换器基本拓扑及工作原理 119

5. 2　网侧系统稳态运行 120

5. 3　背靠背功率变换器数学模型 123

5. 3. 1　网侧变换器数学模型 123

5. 3. 2　网侧滤波器数学模型 128

5. 3. 3　转子侧变换器数学模型 129

5. 3. 4　直流侧数学模型 130

5. 3. 5　背靠背功率变换器仿真模型实现 131

5. 4　功率变换器调制技术 133

5. 4. 1　正弦波脉宽调制技术 133

5. 4. 2　三次谐波注入的正弦波脉宽调制技术 136

5. 4. 3　空间矢量脉宽调制技术 140

5. 5　网侧变换器控制技术 152

5. 5. 1　网侧滤波器两相正交坐标系下数学模型 152

5. 5. 2　网侧变换器电网电压定向矢量控制技术(VOC) 154

5. 6　小结 165

参考文献 165

第6 章　双馈感应电机矢量控制技术 167

6. 1　矢量控制技术 167 2100433B

本书主要介绍双馈感应电机风力发电系统的建模、仿真与控制技术。在介绍风力发电系统基本概念及其基本理论的基础上，系统地介绍了双馈感应电机风力发电机稳态数学模型及其运行、双馈感应电机的动态数学模型、背靠背功率变换器数学模型及其控制技术、双馈感应电机矢量控制技术以及基于MATLAB/SIMULINK仿真软件完成的双馈感应电机风力发电系统仿真。

《控制系统仿真与CAD》以MATLAB 7"_blank" href="/item/自动控制系统/1801668" data-lemmaid="1801668">自动控制系统分析与设计为主线，系统地介绍了控制系统的建模、分析、设计的基本原理和仿真方法。《控制系统仿真与CAD》共分5章，分别为控制系统仿真及工具软件概述、控制系统的数学描述、控制系统分析、控制系统设计与仿真和控制系统CAD——Simulink基础。

《控制系统仿真与CAD》结构清晰，语言简练，图文并茂，并用大量的例题来配合所述内容，由浅入深，生动易学，具有很强的实用性和可操作性，可作为高等学校自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器、电子工程、通信等本科专业“控制系统仿真”课程的教材，也可作为工程技术人员的参考用书。

本教材首先对机电系统建模与仿真的相关概念进行了阐述和区分。然后介绍了相似原理及其在机电系统建模中的应用，更强调机和电这两个系统之间的相似。除了通常主要讨论数学模型的建立外，本教材还侧重介绍了实物、半实物模型的建立。在讲授完上述内容的基础上，介绍了建模、仿真和相似原理在典型机电系统中的应用，如：轮式移动平台、关节式机械手、驱动系统、飞行动力地面模拟系统等。

通过对本教材的学习，为本学科的进一步学习和科学研究奠定了基础，也可以在一定程度上弥补目前出版的教材主要偏重计算机数学仿真（即介绍运动控制中的建模仿真多、抽象符号和数学计算多，而物理系统和实践环节少），不利于学生全面地了解机、电系统综合知识的问题。

本书是在参考国内外相关文献的基础上，结合作者从事机械电子工程教学、研究工作的经验以及我国实际情况，按照理论联系实际的原则编写而成的。全书分为7章：第1章阐述了建模仿真的基本概念，以及机械系统和电气系统的相似；第2章介绍了系统的半实物模型，以及机电系统的一阶、二阶数学模型及其特性；第3章简要讨论了系统的数学模型的描述方法，以及计算机在建模仿真中的作用；第4章探讨了动力学模型的建立，动、静态特性测试方法，以及建模仿真在轮式移动平台中的应用；第5章以关节式机械手为例，介绍了机构分析和机械传动系统的运动学模型建立与仿真；第6章阐述了驱动系统（电机）的建模、实物仿真和数字仿真；第7章通过分析飞行动力地面系统，建立了数学模型加机械实物的仿真模型，然后运用相似原理，以电路替代原有机械系统，建立了简化模型。

各章后的思考题有的是帮助读者回顾本章的要点，有的则是引导读者进一步思考，不一定能在书中找到现成的答案。

以作者的学术和工程经验为基础，通过工程系统的建模与控制提供了对机械、电气、流体和热力系统统一的处理方法。内容涵盖了传统、先进和智能控制，仪器仪表，实验和设计。包括理论，分析技术，常用的计算工具，仿真细节和应用。

《工程系统的建模与控制》克服了其它有关建模和控制方面书的不足之处，书中的建模都与实际物理系统有关，并阐明了控制系统所适应的特定技术。尽管使用了MATLAB，Simulink和LabVIEW，作者全面地解释了方法背后的要点和解析基础，对给定的系统如何选择合适的工具，对结果进行解释和验证，以及软件工具的局限性。这样的方法可以使读者掌握核心主题，学会在实际中使用概念。