風力發電技術及其仿真分析（簡體書）

本書介紹風力發電技術及其仿真，內容包括風力發電系統的基本知識、風力發電系統的MATLAB仿真基礎、風力發電系統Ansoft有限元仿真基礎、雙饋風力發電系統及其仿真分析、雙轉子風力發電系統及其仿真分析、永磁風力發電機有限元仿真分析、風力發電技術中的偏航電控系統、基於PLC的風力發電系統偏航程序設計等。此外，本書還介紹了當前風電研究常用的兩個仿真軟件MATLAB/Simulink和Ansoft，並結合相關理論知識進行了仿真研究與分析。

刁統山，2013年12月畢業于山東大學電氣工程學院，電機與電器專業，獲工學博士學位，博士，講師，中共黨員。主要從事各種電機本體結構的設計，性能分析及控制等領域的應用研究工作。在國內外重要學術期刊及國際重要學術會議上共發表學術論文近10篇，其中EI收錄6篇。作為主要成員參與過一項國家自然科學基金的研究。

風能作為一種清潔的可再生能源，是解決所有人類面臨的環境污染和能源短缺的必然選擇。使用風力發電，可減少常規能源的使用，減少廢氣的形成，有利於良好空氣環境和生態平衡的維持，對我國乃至世界的能源開發和利用非常有利。
我國目前風力發電研究技術的發展、核心裝置的設計和加工、風能的生產和後續的利用等一系列環節，都有了一定的提高，風電技術在國民經濟領域產生的經濟和社會效益日益凸顯。然而，雖然我國是最早利用風能的國家，但是風力發電技術特別是理論研發方面起步較晚，目前與世界先進風力發電技術相比還存在不小的差距。
目前風力發電技術的開發與設計，主要採用模擬實際的多功能仿真軟件進行，這些軟件包括MATLAB/Simulink和Ansoft等。MATLAB/Simulink和Ansoft各有側重：在MATLAB中，風力發電機各組件可通過編程或通過Simulink庫模塊搭建模型來實現仿真；Ansoft軟件偏重於風力機的機構和電磁場的計算，可對風力發電機的設計進行優化。本書共分8章，內容包括風力發電機的基本知識、風力發電系統的MATLAB仿真基礎、風力發電系統的Ansoft有限元仿真基礎、雙饋風力發電系統及其仿真分析、雙轉子風力發電系統及仿真分析、永磁風力發電機振動及其有限元分析、風力發電技術中的偏航電控系統、基於PLC的風力發電系統偏航程序設計。在此基礎上，借助MATLAB/Simulink和Ansoft仿真軟件，通過大量實例對相關理論知識點做了詳細的仿真研究和分析。
本書的寫作得到了齊魯工業大學電氣工程與自動化學院的大力支持和幫助，在此表示衷心的感謝！還要感謝電子工業出版社的杜軍編輯為本書的出版所做的工作！
由於作者水平有限，加之時間倉促，書中內容不妥之處在所難免，懇請各位專家和學者批評指正！

作者
2018年9月

第1章 風力發電系統的基本知識 1
1.1 風力發電系統的主要類型和結構 1
1.1.1 風力發電系統的主要種類 1
1.1.2 風力發電系統的結構 4
1.2 風力發電機的主要類型 9
1.3 風力發電技術研究的熱點問題 11
1.3.1 風力發電輸出功率的預測 11
1.3.2 低電壓穿越 13
1.3.3 風力發電場中的並網控制技術 14
1.4 風力發電技術的發展趨勢 15
1.5 風力發電機的仿真技術 15
第2章 風力發電系統的MATLAB仿真基礎 17
2.1 MATLAB工作窗口 17
2.1.1 MATLAB窗口及其說明 18
2.1.2 MATLAB菜單項的功能說明 18
2.2 MATLAB運行常識 19
2.3 MATLAB程序的基本說明 21
2.4 MATLAB常用命令與函數 21
2.5 MATLAB基本操作 22
2.6 Simulink簡介 23
2.6.1 Simulink概述 23
2.6.2 Simulink的簡單操作 23
2.6.3 MATLAB電力系統模塊庫的使用 30
2.6.4 Simulink的簡單操作 31
2.7 MATLAB仿真軟件在風力發電系統分析中的應用 32
2.7.1 單相橋式整流電路的Simulink建模 33
2.7.2 三相橋式整流電路的Simulink動態建模分析 36
2.7.3 輸電線路出現故障時的建模和仿真分析 39
第3章 風力發電系統的Ansoft有限元仿真基礎 47
3.1 RMxprt在發電機仿真中的基本操作 47
3.1.1 建模方法 48
3.1.2 發電機模型創建 48
3.1.3 發電機主要結構變量的輸入 50
3.1.4 轉子尺寸的輸入 56
3.1.5 轉軸參數選定 58
3.1.6 電動機仿真參數選定 59
3.1.7 發電機的仿真運行 60
3.2 RMxprt和Maxwell 2D聯合仿真 62
3.2.1 RMxprt環境中發電機模型生成2D模型的操作 62
3.2.2 仿真運行曲線的輸出 63
第4章 雙饋風力發電系統及其仿真分析 66
4.1 雙饋風力發電系統的主要結構部件和運行原理 67
4.1.1 風力發電中PWM的相關技術規定 67
4.1.2 雙饋風力發電機運行原理 69
4.1.3 雙饋風力發電機的功率關係 71
4.2 雙饋風力發電機的數學模型 73
4.2.1 雙饋風力發電機三相靜止坐標系下的數學模型 73
4.2.2 雙饋風力發電機數學模型的坐標變換 75
4.2.3 雙饋風力發電機在任意速坐標系中的模型 76
4.3 雙饋風力發電機穩態並網的調節方法 77
4.3.1 網側PWM變換器的建模與控制 77
4.3.2 GSC在旋轉坐標系中的建模 80
4.3.3 雙饋風力發電機向量調節方法 81
4.3.4 雙饋風力發電機的穩態性能 83
4.4 交流三相電網電壓突然九落時雙饋風力發電系統的仿真研究 87
4.4.1 交流三相電網電壓突然跌落時的RSC控制方法 87
4.4.2 三相交流電網電壓突然跌落時GSC應採取的措施 89
4.4.3 電網電壓小幅跌落時雙饋風力發電機控制策略仿真分析 91
4.5 基於SimPowerSystem的雙饋風力發電系統仿真實例 92
第5章 雙轉子風力發電系統及其仿真分析 99
5.1 雙轉子風力發電機系統的結構和數學模型 99
5.1.1 雙轉子風力發電機結構 99
5.1.2 雙轉子風力發電機在三相靜止坐標系中的數學模型 100
5.1.3 雙轉子風力發電機在兩相旋轉坐標系中的數學模型 106
5.1.4 雙轉子風力發電機在任意旋轉坐標系中的數學模型 107
5.2 雙轉子風力發電系統的穩態並網控制研究 108
5.2.1 雙轉子風力發電系統轉子側變換器向量控制 108
5.2.2 雙轉子風力發電機的穩態運行研究 110
5.3 電網電壓驟降故障狀態下雙轉子風力發電機的控制策略 115
5.3.1 電壓驟降故障狀態下轉子側變換器控制策略 117
5.3.2 電網電壓突降時雙轉子風力發電系統改進調節研究 120
5.3.3 電壓跌落時雙轉子風力發電系統動態仿真 121
5.4 電網電壓不平衡或不對稱跌落仿真分析 122
5.4.1 電網電壓出現不平衡分量時的功率和轉矩 125
5.4.2 雙轉子風力發電機在電壓不平衡時的研究 126
5.4.3 雙轉子風力發電系統在電網電壓不平衡時的控制仿真研究 128
5.5 電網嚴重故障低電壓穿越運行仿真 133
5.5.1 基於撬棒保護裝置的低電壓穿越的仿真分析 134
5.5.2 電網三相對稱短路故障時低電壓穿越運行仿真 139
5.5.3 電壓跌落較長時間時低電壓穿越研究 143
第6章 永磁風力發電機振動及其有限元分析 147
6.1 風力系統發電機簡介 147
6.1.1 直驅風力發電機 147
6.1.2 雙饋風力發電系統 148
6.2 永磁同步發電機 150
6.2.1 結構 150
6.2.2 永磁同步發電機的運行原理 151
6.2.3 永磁發電機振動機理及其分析方法研究 154
6.2.4 基於能量法的永磁發電機齒槽轉矩削弱原理 158
6.3 永磁同步發電機齒槽轉矩有限元仿真 160
6.3.1 永磁發電機本體構建 160
6.3.2 齒槽轉矩仿真 164
6.4 直驅永磁同步風力發電系統MATLAB仿真 167
6.4.1 數學建模 167
6.4.2 永磁同步風力發電系統的控制策略 170
6.4.3 仿真分析 171
第7章 風力發電技術中的偏航電控系統 173
7.1 偏航電控系統簡介 174
7.2 偏航系統正常運行的條件 174
7.3 偏航電控系統結構 176
7.4 偏航電控系統工作原理 178
7.5 自動偏航控制過程分析 181
7.6 偏航電控系統的維護和保養 187
第8章 基於PLC的風力發電系統偏航程序設計 190
8.1 PLC介紹 190
8.1.1 PLC的基本組成 190
8.1.2 PLC的工作原理 191
8.2 PLC的選型 192
8.2.1 德國西門子公司生產的S7-200 PLC及特點 193
8.2.2 PLC技術參數 194
8.3 中央處理器的工作方式 196
8.4 擴展模塊 197
8.4.1 擴展模塊簡介 197
8.4.2 S7-200系列PLC內部觸點和數據概述 197
8.5 基於PLC偏航系統的主要設備及系統控制要求與實現 201
8.5.1 PLC偏航系統的主要設備及系統控制要求 201
8.5.2 基於PLC偏航系統的程序實現 202
8.5.3 偏航驅動電氣控制原理 2066
參考文獻 211