前言

用传统的化石燃料来获得能量是使全球气候变暖和环境恶化的主要因素之一。随着经济的快速发展，能源的消耗逐年增加，常规能源面临日益枯竭的窘境，迫切需要可再生能源。风能是可再生能源中最清洁、最安全的一种。风力发电技术相对于太阳能、海洋能、地热能、生物质能等可再生能源的发电技术更为成熟，成本更低，对环境的影响更小，也更具规模和商业开发条件，在电力系统中扮演着越来越重要的角色。德联邦统计局数据显示，2020年德国风力发电总量较2019年增长了5.4%，达到25.6%，而煤炭发电的比重同比下降了21.5%，仅为24.8%，风力发电首次超过了燃煤电厂提供的电力。根据芬兰风能协会的数据，目前芬兰国内规划的风电项目容量达18.5GW，建设中的有2.19GW。芬兰政府计划在2035年成为全球首个不使用化石能源的国家。从更大范围看，欧洲目前拥有超过20GW风电容量，并计划到2050年扩大10倍以上。

在世界范围内，风力发电技术快速发展，风力发电机组安装容量迅猛增长，出现了各种各样的风力发电机组，现代风力发电机组/风电场的容量也在不断增加。使用变速恒频风轮能在较宽的风速范围内捕获更多的风能，因而是目前主要的风力发电方案。目前，主要的两种变速恒频风力发电系统是直驱永磁同步（简称“直驱”）风力发电系统和双馈异步（简称“双馈”）风力发电系统。这两种发电系统都需要使用电力电子系统作为并网接口，通常使用双PWM变换器，可以对无功功率、有功功率进行解耦和单独控制，对电网可起到稳压、稳频的作用，可改善逆变器输出的电能质量。与直驱风力发电系统相比，双馈风力发电系统具有变换器装置容量小、发电机质量轻的优点，但是不可避免地要采用齿轮箱和电刷装置，降低了系统的效率和可靠性。直驱风力发电系统没有较易出故障的齿轮箱，发电机采用永磁体励磁，省去了励磁绕组，实现了发电机的无刷化，降低了发电机的铜耗，提高了系统的效率和可靠性，但是增加了发电机的体积和质量，并且需要采用全功率变换器，与同容量双馈风力发电系统相比，变换器的容量提高了约两倍。然而，全功率变换器实现了发电机和电网的解耦，降低了风力发电机组对电网故障的敏感性，从而提高了风力发电系统的低电压穿越能力。因此，在海上风力发电应用领域中，直驱风力发电系统相对于双馈风力发电系统有较大的优势，得到了广泛的应用。随着直驱风力发电机容量的增加，其体积和质量也在增加，这给运输和安装带来了困难，因此，大多数风力发电厂家采用了折中的方案，即采用增加一级齿轮箱的半直驱方式。

由于风能能量密度小、稳定性差、不能储存，因此风力发电比水力发电困难得多，在风力发电过程中存在许多关键技术。风力发电系统的两个核心是：风能的最大捕获以提高风能转换效率，以及改善电能质量。风力发电系统综合了空气动力学、机械学、电机学、电力电子技术、电力系统分析、控制理论、智能控制技术、计算机技术、微电子技术等众多学科，是一个错综复杂的系统，其控制系统也相当复杂。整个风力发电机组的控制主要包括两大部分，即风轮机的桨距角控制系统和双PWM变换器控制系统，通过这两个系统的协调控制，可实现在额定风速下的最大功率点跟踪运行和在高风速下的功率极限控制。随着相关技术的发展，可再生能源发电并网容量不断增大，电力系统对并入电网的风力发电机组提出了更高的要求，如要求并网的风力发电机组除要满足并网的要求外，还要具有低电压穿越能力，即在电网出现故障时，风力发电机组不仅不能从电网中脱离，还要向电网提供无功功率支持，以帮助恢复电网电压。为了能够在电网故障时对流向电网的功率进行控制，对故障电压基波的正、负序分量进行快速而准确的检测是必要的，电网的同步锁相技术是低电压穿越技术研究中的一个重要方面。从电网的安全角度考虑，不仅要求风力发电机组能在机组故障和电网故障时持续运行而不退出电网，而且从可靠性和运行效率、维护成本上考虑，对风力发电机组的故障诊断和故障容错能力都提出了很高的要求，而故障诊断是故障容错的前提。

本书共分9章，主要针对目前两种主流风力发电系统——直驱风力发电系统和双馈风力发电系统，在正常运行和电网故障时的工作原理和控制策略进行研究和探讨。本书系统介绍从风能的捕获到风电并网整个过程中风力发电机组的运行与控制技术。第1章主要介绍风力发电系统的组成、类型，风力发电系统中的电力电子装置和风力发电技术发展趋势。第2章从风轮机的能量转换过程出发，介绍风轮机的功率特性，分析风轮机从风中捕获最大风能的工作原理，阐述风力发电机组的功率控制策略，最后较详细地介绍了几种最大功率点跟踪算法，为风力发电系统变换器控制策略做好铺垫。第3章从永磁同步发电机和功率变换器的数学模型出发，探讨直驱风力发电系统在正常运行条件下的工作原理与控制策略。第4章从双馈风力发电机的功率特性出发，主要探讨双馈风力发电系统中发电机侧变换器的控制策略。第5章讨论风力发电机组的并网技术，探讨提高风力发电机组低电压穿越能力的措施。第6章研究网侧变换器的同步化方法，为风力发电机组在电网故障时的运行提供同步锁相技术。第7章主要研究直驱风力发电系统在电网故障时的运行与控制策略。第8章主要研究双馈风力发电系统中风轮的两种控制策略，并对风轮控制中的转速控制器和功率控制器进行了设计。第9章介绍故障诊断的概念和故障容错的基本理论，分析风力发电系统中的常见故障和故障诊断技术，最后提出提高风力发电系统故障容错能力的措施。

为了便于读者对照学习，本书中采用MATLAB软件绘制的系统图和仿真图均使用原图，未做处理，特此说明。

湖南工程学院邓秋玲教授负责本书1～8章的编著，刘婷博士负责第9章的编著和本书的文字校对工作，王家堡博士负责部分图表绘制。湘电风能公司龙辛副总经理负责第1章和第2章的审稿，并提供书稿中部分工程素材。研究生廖宇琦和艾文豪参与图表绘制和校对。

本书相关的基础研究工作获得了国家自然科学基金项目（51875193）、湖南省研究生优质课程建设项目和湖南省教育厅科研项目（18K092）的资助。本书的撰写得到了湖南大学黄守道教授的悉心指导和全力支持，在此表示衷心的感谢！宜兴电机有限公司余冰副总工程师仔细审阅了第1章，提出了宝贵的意见，在此向她表示衷心的感谢！本书在撰写过程中，参考了大量的相关文献，在此对所有相关作者表示衷心的感谢！

由于时间和水平有限，书中难免存在许多不足，恳请广大读者批评指正。

编著者

2021年10月