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第1章 海上风力发电系统1

1.1 背景1

1.2 典型子系统1

1.3 风力发电机技术3

1.3.1 基础知识3

1.3.2 构架5

1.3.3 海上风力发电机技术现状6

1.4 海上输电网7

1.5 对电力系统运行的影响8

1.5.1 电力系统动态与稳定8

1.5.2 无功功率与电压支撑9

1.5.3 频率支撑9

1.5.4 风力发电机惯量响应10

1.6 风电并网规则10

致谢11

参考文献12

第2章 双馈感应风力发电机13

2.1 介绍13

2.1.1 感应发电机（IG）14

2.1.2 背靠背换流器14

2.1.3 齿轮箱14

2.1.4 撬棒保护14

2.1.5 风力发电机变压器14

2.2 双馈感应风力发电机的结构和数学建模15

2.2.1 感应发电机在abc坐标系下的模型15

2.2.2 感应发电机在dq0坐标系下的模型19

2.2.3 机械系统22

2.2.4 撬棒保护24

2.2.5 双馈感应发电机背靠背换流器的建模25

2.2.6 电力电子换流器的平均值模型27

2.2.7 直流回路29

2.3 双馈感应风力发电机的控制30

2.3.1 转速PI控制31

2.3.2 双馈感应风力发电机无功功率的PI控制32

2.3.3 转子电流的PI控制33

2.3.4 直流电压的PI控制34

2.3.5 网侧换流器电流的PI控制36

2.4 双馈感应风力发电机动态性能评估38

2.4.1 三相故障38

2.4.2 对称电压跌落故障41

2.4.3 非对称电压跌落故障42

2.4.4 单相对地故障43

2.4.5 相间短路故障44

2.4.6 对称短路故障下的转矩特性45

2.4.7 不对称短路故障下的转矩特性46

2.4.8 电网故障对感应发电机无功功率消耗的影响47

2.5 故障穿越能力与电网导则48

2.5.1 撬棒保护的利弊48

2.5.2 双馈感应风力发电机变量对其故障穿越能力的影响49

2.6 提高双馈感应风力发电机故障穿越能力的先进控制策略50

2.6.1 二自由度内模控制（IMC）50

2.6.2 转速IMC控制器51

2.6.3 转子电流IMC控制器52

2.6.4 直流电压IMC控制器53

2.6.5 网侧换流器电流IMC控制器54

2.6.6 双馈感应风力发电机IMC控制器的鲁棒性调节55

2.6.7 鲁棒稳定性原理56

参考文献57

第3章 全功率换流风力发电机58

3.1 同步电机基础58

3.1.1 同步发电机结构58

3.1.2 同步发电机的气隙磁场59

3.2 同步发电机dq坐标系模型62

3.2.1 稳态运行63

3.2.2 带阻尼绕组的同步发电机65

3.3 大型同步发电机的控制67

3.3.1 励磁控制68

3.3.2 原动机控制69

3.4 全功率换流风力发电机69

3.5 基于同步发电机的全功率换流风力发电机70

3.5.1 永磁同步发电机71

3.5.2 基于永磁同步发电机的全功率换流风力发电机72

3.5.3 发电机侧换流器控制73

3.5.4 直流链建模76

3.5.5 网侧换流器控制77

3.6 基于笼型感应发电机的全功率换流风力发电机79

3.6.1 全功率换流感应风力发电机的控制79

3.7 基于全功率换流风力发电机的电力系统阻尼器83

3.7.1 电力系统振荡阻尼控制器83

3.7.2 风力发电对电网阻尼的影响83

3.7.3 全功率换流风力发电机阻尼控制器对电网阻尼的影响86

致谢89

参考文献89

第4章 海上风电场中的电气系统91

4.1 典型组件91

4.2 海上风力发电机概述92

4.3 电力汇集器93

4.3.1 风电场集群95

4.4 海上输电系统95

4.4.1 HVAC输电95

4.4.2 HVDC输电97

4.4.3 CSC-HVDC输电98

4.4.4 VSC-HVDC输电103

4.4.5 多端VSC-HVDC网络112

4.5 海上变电站114

4.6 无功功率补偿设备115

4.6.1 静止无功功率补偿器（SVC）115

4.6.2 静止同步补偿器（STATCOM）117

4.7 海底电缆119

4.7.1 交流海底电缆120

4.7.2 直流海底电缆120

4.7.3 地下和海底电缆建模120

致谢120

参考文献121

第5章 海上风电场并网——案例研究124

5.1 背景124

5.2 利用点对点VSC-HVDC输电技术实现海上风电场并网124

5.3 利用HVAC输电技术实现海上风电场并网128

5.4 利用HVAC/VSC-HVDC并联输电技术实现海上风电场并网130

5.5 利用多端VSC-HVDC网络技术实现海上风电场并网133

5.6 利用多端VSC-HVDC连接区域间电力系统135

致谢137

参考文献138

第6章 海上风电场的保护140

6.1 风电场交流网络内的保护140

6.1.1 风力发电机保护区140

6.1.2 馈线保护区143

6.1.3 母线保护区144

6.1.4 高压变压器保护区145

6.2 发生在海上双馈感应发电机风电场交流传输线上故障的研究145

6.2.1 范例1146

6.2.2 范例2146

6.3 通过直流并网的海上风电场保护148

6.3.1 VSC-HVDC换流器保护方案148

6.3.2 直流传输线故障分析149

6.3.3 极间故障150

6.3.4 极－地故障151

6.3.5 HVDC直流保护：挑战与趋势152

6.3.6 基于双馈感应发电机的海上风电场直流输电线故障的仿真研究152

致谢155

参考文献156

第7章 海上风电接入新技术157

7.1 风力发电机载荷柔化先进控制技术157

7.1.1 叶片桨距角控制157

7.1.2 桨叶扭转控制157

7.1.3 可变直径转子158

7.1.4 流场主动控制158

7.2 换流器接口设置和集电器设计158

7.2.1 风力发电机换流器159

7.2.2 平台换流器161

7.2.3 交流汇聚选项：定频或变频162

7.2.4 对更高汇聚电压（＞33kV）的评估164

7.3 直流输电保护165

7.4 储能系统（ESS）166

7.4.1 电池166

7.4.2 超级电容器167

7.4.3 飞轮储能系统167

7.4.4 抽水蓄能167

7.4.5 压缩空气储能系统167

7.4.6 超导磁能储能（SMES）168

7.5 故障限流器（FCL）168

7.6 海底变电站168

7.7 HTSC、GIT和GIL169

7.7.1 HTSC（高温超导电缆）169

7.7.2 GIT（气体绝缘变压器）169

7.7.3 GIL（气体绝缘输电线）170

7.8 状态监测方面的发展170

7.8.1 高压电缆局部放电监测170

7.8.2 变压器状态监测171

7.8.3 气体绝缘开关状态监测171

7.8.4 电力电子状态监测172

7.9 大型海上风电接入智能电网173

7.9.1 虚拟电厂控制方法176

7.9.2 相量测量单元176

致谢177

参考文献177

附录181

附录A 电压源换流器拓扑结构181

A.1 二电平换流器181

A.1.1 工作原理181

A.1.2 电压源换流器的方波运行182

A.1.3 脉宽调制183

A.2 中点钳位型换流器195

A.2.1 特定谐波消除法196

A.2.2 正弦脉宽调制法198

A.3 飞跨电容型多电平换流器200

A.4 级联型多电平换流器202

A.5 模块化多电平换流器203

参考文献211

附录B 例题求解220