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本书是编者在长期从事新能源并网发电技术研究基础上编写而成的，其较为全面地介绍了风力发电、光伏发电、储能技术等新能源发电的变流器控制技术。主要内容包括风力发电、光伏发电和储能变流器的数学建模和控制技术、不平衡及谐波电网下新能源发电设备的数学建模和控制技术、电网故障穿越下新能源发电设备的数学建模和控制技术、新能源发电设备的阻抗建模和稳定性分析方法等。

本书可作为高等院校电气工程及相关专业的本科生或研究生教材，也可供从事新能源开发与利用，特别是从事新能源发电技术研究相关工作的工程技术人员参考。

序

前言

第1章新能源发电概述1

1.1能源现状与可持续发展战略1

1.1.1我国能源结构与储备现状1

1.1.2我国的可持续发展战略2

1.1.3新能源发电技术的发展2

1.2风力发电4

1.2.1风力发电概述4

1.2.2风力发电原理及分类5

1.3光伏发电9

1.3.1光伏发电概述9

1.3.2光伏发电原理及分类10

1.4储能12

1.4.1储能概述12

1.4.2储能原理及分类14

1.5本章小结16

思考题16

第2章网侧变流器控制技术17

2.1网侧变流器数学模型17

2.1.1三相静止坐标系下网侧变流器数学模型17

2.1.2两相同步旋转坐标系下网侧变流器数学模型19

2.2网侧变流器控制策略20

2.3锁相同步方式22

2.3.1锁相同步的作用及基本类型22

2.3.2常规锁相同步方式建模23

2.3.3薄弱电网下的改进型锁相同步方式26

2.4高精度电流跟踪控制方法33

2.4.1线性调节器33

2.4.2非线性调节器34

2.4.3不同高精度电流跟踪控制器对比35

2.5本章小结36

思考题36

参考文献37

新能源发电技术目录第3章风力发电控制技术39

3.1变速恒频风力发电系统的运行控制39

3.1.1风力机的运行特性39

3.1.2变速恒频风力发电系统的运行控制策略41

3.2风力发电系统大风能追踪运行机理42

3.3双馈异步风力发电机的大风能追踪控制43

3.3.1有功功率参考值Ps的计算44

3.3.2无功功率参考值Qs的计算45

3.3.3大风能追踪控制的实现46

3.4风电机组的系统结构与数学模型47

3.4.1双馈异步风力发电机的系统结构47

3.4.2直驱风电机组系统结构和数学模型48

3.4.3双馈风电机组机侧变流器的数学模型51

3.5风电机组的矢量控制技术56

3.5.1矢量控制原理56

3.5.2直驱风电机组的矢量控制57

3.5.3双馈风电机组的矢量控制60

3.6本章小结63

思考题63

第4章光伏发电控制技术64

4.1光伏发电系统大功率点跟踪技术64

4.1.1定电压跟踪法65

4.1.2扰动观测法67

4.1.3导纳增量法69

4.2光伏发电运行控制技术71

4.2.1基于矢量控制的光伏系统运行策略71

4.2.2基于虚拟同步发电机的光伏系统运行策略72

4.3光伏发电系统防孤岛运行策略74

4.3.1光伏发电系统孤岛效应74

4.3.2被动式光伏检测法及检测盲区77

4.3.3主动式光伏检测法81

4.4本章小结83

思考题84

第5章储能控制技术85

5.1储能电池数学建模85

5.2储能变流器控制技术87

5.2.1储能变流器数学建模87

5.2.2储能变流器矢量控制技术91

5.2.3储能变流器虚拟同步发电机控制技术92

5.2.4计及储能电池荷电状态的储能变流器改进控制技术94

5.3储能变流器黑启动控制技术96

5.3.1储能变流器矢量控制黑启动技术96

5.3.2储能变流器虚拟同步发电机黑启动技术98

5.3.3储能变流器预同步并网技术100

5.4本章小结101

思考题102

第6章不平衡及谐波电网下的新能源发电控制技术103

6.1不平衡及谐波电网下的新能源并网发电系统103

6.1.1不平衡及谐波电网下双馈发电机数学模型104

6.1.2不平衡及谐波电网下并网变流器的数学模型107

6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术108

6.2.1谐振控制器的基本原理108

6.2.2基于谐振控制器的新能源系统运行技术115

6.2.3谐振控制拓展性应用120

6.3基于重复控制的新能源系统运行技术124

6.3.1重复控制的基本原理124

6.3.2重复控制器改进设计126

6.3.3基于重复控制的新能源系统129

6.4本章小结130

思考题131

第7章新能源发电的故障穿越技术132

7.1新能源发电并网技术规范132

7.1.1频率故障穿越要求132

7.1.2电压故障穿越要求133

7.2电网电压故障下新能源发电设备的暂态数学模型135

7.2.1网侧变流器的暂态数学模型135

7.2.2双馈风力发电机的暂态数学模型136

7.3网侧变流器的低电压穿越技术140

7.3.1Chopper电路140

7.3.2直流储能单元141

7.3.3动态电压恢复器142

7.4双馈风力发电机的低电压穿越技术143

7.4.1Crowbar电路143

7.4.2励磁强化措施144

7.5换相失败引发的送端电网电压故障146

7.5.1换相失败引发的送端电网电压波动机理147

7.5.2换相失败下送端电网的新能源发电设备的数学模型149

7.6本章小结155

思考题156

参考文献156

第8章弱电网下新能源并网系统的稳定性分析与振荡抑制158

8.1弱电网下新能源并网系统的振荡失稳问题158

8.1.1振荡失稳案例概述158

8.1.2振荡失稳问题的分析方法简介160

8.2基于阻抗的新能源并网稳定性分析方法161

8.2.1阻抗分析方法的基本原理161

8.2.2阻抗建模技术161

8.2.3阻抗测量技术162

8.2.4基于阻抗的振荡抑制技术163

8.3弱电网下新能源并网振荡案例分析164

8.3.1并网逆变器的阻抗模型164

8.3.2基于阻抗的逆变器并网系统振荡问题分析166

8.3.3基于阻抗的逆变器并网系统的振荡抑制168

8.4本章小结169

思考题170

参考文献170

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前言

前言

Preface

自第一次工业革命以来，由于人类对传统化石能源的过度消耗，导致其日益枯竭，同时也引发了环境污染问题；自改革开放以来，我国经济得到迅速发展，随之而来的也是能源需求的飞速增长。而我国当前以煤炭、石油为主的能源结构，以及“总量丰富，人均不足”的能源现状将会不可避免地制约经济的发展。与此同时，消耗化石能源所带来的环境污染问题，也在影响着我国人民的生活质量。因此，为应对能源危机与环境污染问题，实现可持续发展，需要大力发展以风力发电与光伏发电为主的新能源发电技术及相关产业。这不仅是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措施，是满足人类社会可持续发展需要的必然选择。

自进入21世纪以来，我国新能源发电技术研究取得了巨大进展，在新能源领域取得了惊人的成果，新能源发电机组装机容量迅速增长，一跃成为世界新能源产业大国。然而，由于我国新能源资源与用电需求的逆向分布、新能源接入电网的电能质量与电网强度较差，以及新能源本身具有不规律性与波动性等因素，新能源机组大规模并入电网也给电能质量乃至电网安全带来了一定的挑战。为了解决相关问题，已有国内外学者做了大量有价值的研究，提出了较为成熟的分析方法、理论体系与解决方案，相关领域包括但不限于锁相同步技术、不平衡及谐波电网下的新能源发电机组运行与控制技术、储能技术、并网运行稳定性分析及治理方法等，这些理论都对改善新能源发电电能质量、提高新能源消纳能力、促进新能源产业的进一步发展做出了重要贡献，而上述理论目前仍主要存在于各类期刊文献中，亟需有书籍对上述各种理论、方法进行统一整理与介绍。

本书是作者团队十多年研究成果的提炼和总结，在新能源发电领域共发表两百余篇论文，授权专利50余项；部分成果获2021年浙江省科学技术进步奖二等奖、2021年中国电工技术学会科学技术进步奖二等奖、2021年浙江省钱江能源科学技术进步奖一等奖、2020年中国电力科学技术进步奖一等奖等。

全书共分为8章：第1章概述讨论了我国新能源发电技术发展的背景意义、实际现状及未来发展趋势，并对风力发电、光伏发电、储能技术等新能源发电关键技术的原理与分类进行了介绍，也为后续章节对各项新能源发电技术的介绍做出了铺垫；第2章主要介绍了网侧变流器的控制技术，并就其中的关键部分即锁相同步技术做出了详细讨论，对于各应用场景下的锁相同步方式的改进原理做了重点分析；第3章主要讲述了风力发电的理论基础与关键技术，首先介绍了风力机的运行特性与大风能追踪原理，然后通过建立双馈风力发电机与直驱风力发电机的数学模型，介绍了双馈风力发电机与直驱风力发电机的矢量控制与虚拟同步控制方法；第4章介绍了光伏发电控制技术，包括光伏的大功率点跟踪技术、矢量控制技术和虚拟同步控制技术以及防孤岛运行技术；第5章首先建立储能电池数学模型，随后据此引出了对储能运行控制技术基本原理的介绍，进而讲述了储能变流器的重要应用场景——黑启动控制技术的原理与实施方法；第6章通过建立不平衡及谐波电网下新能源发电设备的数学模型，解释了在电网电压存在谐波及不平衡情况下的新能源发电设备改进控制机理与具体控制策略；第7章首先介绍了新能源发电设备的并网技术规范，指出了研究故障穿越技术的必要性；随后通过建立新能源发电设备暂态数学模型，主要介绍了双馈风电机组的电网电压故障穿越技术机理与常用方案；第8章以并网逆变器的并网运行小信号稳定分析为例，讲述了逆变器的阻抗建模过程、稳定性分析方法及振荡抑制过程，介绍了基于阻抗的新能源发电设备并网运行小信号稳定分析及小信号失稳后的振荡抑制方法。

本书的撰写工作得到了多项科研基金和项目的资助，主要有：国家自然科学基金优秀青年科学基金“弱交流电网下风力发电系统的控制与运行（51622706）”，国家自然科学基金面上基金“双馈风电系统并网运行下振荡频率耦合的基础理论与控制对策（51977194）”“直流并网型双馈异步风力发电系统新型拓扑与控制策略研究（51277159）”，国家重点研发计划“100%可再生能源经柔性直流送出稳定控制技术研究（2020YFF0305801）”“基于电力电子变压器的交直流混合分布式可再生能源技术研究（2017YFB0903300）”，青海省科技厅重大科技专项“多能源互补发电联合运行关键技术研究与示范（2018GXA6）” ，浙江省自然科学基金重点项目“非理想微电网下虚拟同步机友好并网运行机理及控制策略研究（LZ18E070001）”。

全书由年珩和孙丹编写，成书过程中庞博、徐韵扬、胡彬、金萧、李萌、赵琛、童豪等研究生参与了相关章节的文献整理、文档修订与绘图等工作。在此对所有参与编撰人员表示衷心的感谢!

限于编者能力和水平，且新能源发电技术正处于快速发展阶段，书中难免存在疏漏和不妥之处，欢迎广大读者不吝批评指正。

编者二〇二二年十月于浙江大学

书籍介绍

本书是编者在长期从事新能源并网发电技术研究基础上编写而成的，其较为全面地介绍了风力发电、光伏发电、储能技术等新能源发电的变流器控制技术。主要内容包括风力发电、光伏发电和储能变流器的数学建模和控制技术、不平衡及谐波电网下新能源发电设备的数学建模和控制技术、电网故障穿越下新能源发电设备的数学建模和控制技术、新能源发电设备的阻抗建模和稳定性分析方法等。 本书可作为高等院校电气工程及相关专业的本科生或研究生教材，也可供从事新能源开发与利用，特别是从事新能源发电技术研究相关工作的工程技术人员参考。