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1 引言 1

1.1 编写目的 1

1.2 风电机组 2

1.2.1 风电机组分类 3

1.2.2 风电机组模型结构 4

1.3 本书编制目的 6

1.3.1 通用模型的开发 6

1.3.2 风电场无功功率控制设计 6

1.4 本书架构 7

2 风电机组气动模型 9

2.1 简介 9

2.2 风能捕集 9

2.3 风轮气动特性 11

2.3.1 简化表示 12

2.4 采用cp-λ表进行模拟 13

2.4.1 cp-λ表的泛函表示法 14

2.4.2 cp-λ表的多项式拟合表示法 16

2.5 线性气动模型 16

2.5.1 运行轨迹的线性化 17

2.5.2 稳态工作轨迹 18

2.5.3 偏导数△PΘ：对桨距角的功率变化 21

2.5.4 偏导数△PΩ,WR：对叶轮转速的功率变化 23

2.5.5 模型结构 27

2.5.6 风速初始值计算 27

2.5.7 设有功功率限制的风电机组的运行 28

2.5.8 与cp-λ表的表示法进行比较 31

2.5.9 与其他cp-λ表示法的比较 32

2.6 动态流入现象的表示 34

2.7 与测定结果的比较 34

2.8 小结 36

3 风电机组结构动力学模型 39

3.1 简介 39

3.2 传动链、叶片及塔架的高阶表示法 39

3.2.1 齿轮箱表示法 40

3.2.2 高阶传动链固有频率的表示 41

3.2.3 叶片结构的详细表示 41

3.2.4 塔影、转子不平衡及转子固有频率 43

3.2.5 生产公差影响及老化效应 43

3.2.6 塔架表示 44

3.3 传动链的单质量块和双质量块表示 45

3.3.1 传动链的单质量块表示 46

3.3.2 传动链的双质量块表示 46

3.3.3 单质量块表示和双质量块表示对比 48

3.4 小结 51

4 风电机组控制系统模型 53

4.1 简介 53

4.2 定速／限速风电机组的控制 54

4.3 变速风电机组的控制 56

4.3.1 低于额定风速运行 56

4.3.2 以额定风速及超额定风速运行 59

4.4 变桨距控制回路 60

4.4.1 桨距-转速控制器 60

4.4.2 桨距补偿器 61

4.4.3 桨距角FRT增大 62

4.4.4 桨距执行机构模型 62

4.4.5 桨距控制器及执行机构模型 63

4.5 转矩／有功功率控制回路 63

4.5.1 功率或转矩PI控制 63

4.5.2 传动链衰减对功率输出的影响 65

4.6 小结 67

5 发电机与变流器 69

5.1 概述 69

5.2 双馈发电机模型 70

5.2.1 不带直流母线吸能器的双馈发电机设计局限性 70

5.2.2 新型双馈发电机系统的升级保护 71

5.2.3 双馈发电机系统的基础方程 71

5.2.4 双馈发电机系统模型表示法 72

5.2.5 机侧变流器控制表示 74

5.2.6 双馈发电机与机侧变流器的集成模型 76

5.2.7 网侧变流器（LSC）模型表示 77

5.2.8 双馈发电机的聚合模型 79

5.2.9 参考坐标系的选择 81

5.2.10 模型参数的选择性识别 82

5.2.11 采用一阶时滞得到的双馈发电机简化聚合模型 82

5.3 全功率变流器模型 83

5.3.1 全功率变流器模型表示 84

5.4 模型结构 84

5.4.1 诺顿等效（电流源）的实现 84

5.4.2 电流限制 86

5.4.3 风电机组变压器 88

5.4.4 全功率变流器的直流母线吸能器 88

5.4.5 发电机与变流器模型 89

5.5 验证结果 90

5.5.1 双馈发电机式风电机组的测量与模拟 90

5.5.2 推荐双馈发电机模型与简化双馈发电机模型对比 92

5.5.3 全功率变流器式风电机组的实测和模拟 93

5.5.4 验证结果 94

5.6 小结 94

6 风电场的无功功率控制 95

6.1 简介 95

6.1.1 现有电网规范要求的局限性 95

6.1.2 典型的风电场配置 95

6.2 发电站和风电场的无功功率要求 97

6.2.1 正常系统条件下的无功功率控制 97

6.2.2 应对电压突变的快速电压控制 97

6.2.3 总结 99

6.3 同步发电机的无功电流贡献 100

6.3.1 详细的同步发电机模型 100

6.3.2 电网故障期间电流计算的简化模型 103

6.3.3 同步发电机无功电流增益的静态计算 104

6.3.4 同步发电机无功电流增益的动态模拟 106

6.4 风电场无功功率控制的实施 109

6.4.1 风电场的控制器设计 109

6.4.2 风电机组使用参考电压的控制结构 111

6.4.3 在风电机组层面使用无功功率或无功电流参考的控制结构 115

6.5 推荐无功功率控制结构的评估 119

6.5.1 风电场和同步发电机的对比 120

6.5.2 电网故障期间使用死区进行风电机组无功功率控制的背景 125

6.5.3 带死区的无功功率控制风电场的比较 127

6.5.4 测定值的比较 130

6.6 小结 132

7 总结和结论 133

7.1 通用风电机组模型的发展 133

7.1.1 通用空气动力学模型 133

7.1.2 通用机械模型 134

7.1.3 风电机组控制模型 134

7.1.4 通用双馈发电机和全功率变流器式发电机和变流器模型 134

7.2 风电场无功功率控制 135

7.2.1 电网要求分析 135

7.2.2 风电场无功功率控制 136

8 参考文献 137

8.1 论文 137

8.2 专著 143

8.3 专利 147

8.4 专利申请书 147

A 附件 149

A.1 空间向量 149

A.1.1 控制表达 149

A.1.2 负序表达 150

A.1.3 零序分量 150

A.2 符号法则 151

A.2.1 有效值 152

A.2.2 对称分量 152

A.3 IEC 61400-21中规定的对称分量计算 153

A.4 故障穿越测试程序 154