前言

用傳統的化石燃料來獲得能量是使全球氣候變暖和環境惡化的主要因素之一。隨著經濟的快速發展，能源的消耗逐年增加，常規能源面臨日益枯竭的窘境，迫切需要可再生能源。風能是可再生能源中最清潔、最安全的一種。風力發電技術相對于太陽能、海洋能、地熱能、生物質能等可再生能源的發電技術更為成熟，成本更低，對環境的影響更小，也更具規模和商業開發條件，在電力系統中扮演著越來越重要的角色。德聯邦統計局數據顯示，2020年德國風力發電總量較2019年增長了5.4%，達到25.6%，而煤炭發電的比重同比下降了21.5%，僅為24.8%，風力發電首次超過了燃煤電廠提供的電力。根據芬蘭風能協會的數據，目前芬蘭國內規劃的風電項目容量達18.5GW，建設中的有2.19GW。芬蘭政府計劃在2035年成為全球首個不使用化石能源的國家。從更大范圍看，歐洲目前擁有超過20GW風電容量，并計劃到2050年擴大10倍以上。

在世界范圍內，風力發電技術快速發展，風力發電機組安裝容量迅猛增長，出現了各種各樣的風力發電機組，現代風力發電機組/風電場的容量也在不斷增加。使用變速恒頻風輪能在較寬的風速范圍內捕獲更多的風能，因而是目前主要的風力發電方案。目前，主要的兩種變速恒頻風力發電系統是直驅永磁同步（簡稱“直驅”）風力發電系統和雙饋異步（簡稱“雙饋”）風力發電系統。這兩種發電系統都需要使用電力電子系統作為并網接口，通常使用雙PWM變換器，可以對無功功率、有功功率進行解耦和單獨控制，對電網可起到穩壓、穩頻的作用，可改善逆變器輸出的電能質量。與直驅風力發電系統相比，雙饋風力發電系統具有變換器裝置容量小、發電機質量輕的優點，但是不可避免地要采用齒輪箱和電刷裝置，降低了系統的效率和可靠性。直驅風力發電系統沒有較易出故障的齒輪箱，發電機采用永磁體勵磁，省去了勵磁繞組，實現了發電機的無刷化，降低了發電機的銅耗，提高了系統的效率和可靠性，但是增加了發電機的體積和質量，并且需要采用全功率變換器，與同容量雙饋風力發電系統相比，變換器的容量提高了約兩倍。然而，全功率變換器實現了發電機和電網的解耦，降低了風力發電機組對電網故障的敏感性，從而提高了風力發電系統的低電壓穿越能力。因此，在海上風力發電應用領域中，直驅風力發電系統相對于雙饋風力發電系統有較大的優勢，得到了廣泛的應用。隨著直驅風力發電機容量的增加，其體積和質量也在增加，這給運輸和安裝帶來了困難，因此，大多數風力發電廠家采用了折中的方案，即采用增加一級齒輪箱的半直驅方式。

由于風能能量密度小、穩定性差、不能儲存，因此風力發電比水力發電困難得多，在風力發電過程中存在許多關鍵技術。風力發電系統的兩個核心是：風能的最大捕獲以提高風能轉換效率，以及改善電能質量。風力發電系統綜合了空氣動力學、機械學、電機學、電力電子技術、電力系統分析、控制理論、智能控制技術、計算機技術、微電子技術等眾多學科，是一個錯綜復雜的系統，其控制系統也相當復雜。整個風力發電機組的控制主要包括兩大部分，即風輪機的槳距角控制系統和雙PWM變換器控制系統，通過這兩個系統的協調控制，可實現在額定風速下的最大功率點跟蹤運行和在高風速下的功率極限控制。隨著相關技術的發展，可再生能源發電并網容量不斷增大，電力系統對并入電網的風力發電機組提出了更高的要求，如要求并網的風力發電機組除要滿足并網的要求外，還要具有低電壓穿越能力，即在電網出現故障時，風力發電機組不僅不能從電網中脫離，還要向電網提供無功功率支持，以幫助恢復電網電壓。為了能夠在電網故障時對流向電網的功率進行控制，對故障電壓基波的正、負序分量進行快速而準確的檢測是必要的，電網的同步鎖相技術是低電壓穿越技術研究中的一個重要方面。從電網的安全角度考慮，不僅要求風力發電機組能在機組故障和電網故障時持續運行而不退出電網，而且從可靠性和運行效率、維護成本上考慮，對風力發電機組的故障診斷和故障容錯能力都提出了很高的要求，而故障診斷是故障容錯的前提。

本書共分9章，主要針對目前兩種主流風力發電系統——直驅風力發電系統和雙饋風力發電系統，在正常運行和電網故障時的工作原理和控制策略進行研究和探討。本書系統介紹從風能的捕獲到風電并網整個過程中風力發電機組的運行與控制技術。第1章主要介紹風力發電系統的組成、類型，風力發電系統中的電力電子裝置和風力發電技術發展趨勢。第2章從風輪機的能量轉換過程出發，介紹風輪機的功率特性，分析風輪機從風中捕獲最大風能的工作原理，闡述風力發電機組的功率控制策略，最后較詳細地介紹了幾種最大功率點跟蹤算法，為風力發電系統變換器控制策略做好鋪墊。第3章從永磁同步發電機和功率變換器的數學模型出發，探討直驅風力發電系統在正常運行條件下的工作原理與控制策略。第4章從雙饋風力發電機的功率特性出發，主要探討雙饋風力發電系統中發電機側變換器的控制策略。第5章討論風力發電機組的并網技術，探討提高風力發電機組低電壓穿越能力的措施。第6章研究網側變換器的同步化方法，為風力發電機組在電網故障時的運行提供同步鎖相技術。第7章主要研究直驅風力發電系統在電網故障時的運行與控制策略。第8章主要研究雙饋風力發電系統中風輪的兩種控制策略，并對風輪控制中的轉速控制器和功率控制器進行了設計。第9章介紹故障診斷的概念和故障容錯的基本理論，分析風力發電系統中的常見故障和故障診斷技術，最后提出提高風力發電系統故障容錯能力的措施。

為了便于讀者對照學習，本書中采用MATLAB軟件繪制的系統圖和仿真圖均使用原圖，未做處理，特此說明。

湖南工程學院鄧秋玲教授負責本書1～8章的編著，劉婷博士負責第9章的編著和本書的文字校對工作，王家堡博士負責部分圖表繪制。湘電風能公司龍辛副總經理負責第1章和第2章的審稿，并提供書稿中部分工程素材。研究生廖宇琦和艾文豪參與圖表繪制和校對。

本書相關的基礎研究工作獲得了國家自然科學基金項目（51875193）、湖南省研究生優質課程建設項目和湖南省教育廳科研項目（18K092）的資助。本書的撰寫得到了湖南大學黃守道教授的悉心指導和全力支持，在此表示衷心的感謝！宜興電機有限公司余冰副總工程師仔細審閱了第1章，提出了寶貴的意見，在此向她表示衷心的感謝！本書在撰寫過程中，參考了大量的相關文獻，在此對所有相關作者表示衷心的感謝！

由于時間和水平有限，書中難免存在許多不足，懇請廣大讀者批評指正。

編著者

2021年10月