本书是国家重点研发计划项目“高比例可再生能源并网的电力系统规划与运行基础理论”课题4“源-网-荷高度电力电子化的电力系统稳定性分析理论”的成果之一。全书共分9章。第1章为高比例并网风电与电力系统动态问题，第2章为风力机及其控制，第3章和第4章分别为电网对称和不对称条件下的风电机组控制，第5章为风电机组故障穿越运行，第6章为含高比例风电电力系统的电磁尺度小信号频域建模及分析，7章为不对称故障穿越期间不对称故障穿越期间风电机组及网络的电磁时间尺度小信号动态建模与分析，第8章为含风电电力系统机电尺度暂态分析，第9章为含风电电力系统频率动态分析。 本书可供从事新能源并网控制研究的广大高校师生和从事风电产品开发、风电场运行管理乃至电网运行分析等的研究人员及工程技术人员参考。

绪论
　　第1章 高比例并网风电与电力系统动态问题
　　1.1 高比例并网风电基本情况
　　1.1.1 风力发电的发展现状
　　进入 21世纪以来，全球风电市场进入了一个快速增长的阶段，近年全球风电新增及总装机容量如图1-1所示。在中国、美国、德国、印度等国家的引领下，全球风电的总装机容量从 2001年的 24GW跃升至 2020年的 743GW[1]。虽然前些年风电装机容量增速有所放缓，但全球风电总装机容量仍保持 10%以上的增长速度，并在 2020年创下了单年新增 93GW的新高。除欧美、中国、印度等成熟的风电市场外，近年来也涌现了一批新兴风电市场，包括菲律宾、泰国、越南、阿根廷、哥伦比亚、智利等国家，在当地政府制定的风电发展目标和规划的驱动下，风电装机容量持续增长。在全球风电快速发展的同时，我国风电装机容量一直保持着高速增长，近年的总装机容量和年装机容量稳居全球第一。 2020年，我国新增风电装机容量为 52GW①，年装机容量超过全球其他国家总和，到 2020年底总装机容量达到 288GW，约占全球总装机容量的 38.8%；风电发电量达 4665亿 kW . h，全国风电平均利用小时数 2097h[1，2]。
　　图1-1 近年全球风电新增及总装机容量[1]
　　随着风电装机容量的持续增加，电力系统的格局已呈现出风电局部高比例的特征，全球范围以欧洲尤为显著。2020年欧洲风电总装机容量为 220GW，年发电量能够满足全欧洲 16.4%的电力需求 [3]。其中丹麦风电发电量与电力负荷的比值达到了 48%，爱尔兰达到了 38%，德国、英国、葡萄牙、瑞典和西班牙的比值在 20%以上。我国部分省份的风电已成为省级电网的第二大装机电源[4]，且具有继续上升的趋势，多个省份的风电装机容量已经超过 10GW。西北地区为我国*先大规模开发风电的地区，风电发电量一直位于全国的领先水平，风电的发电量也一直在持续上升，其中甘肃风电发电量更是在 2021年 1月 18日达到 10.24GW的历史新高，占全省发电出力的 39.77%，占甘肃全网用电负荷的 66.76%[5]。西南地区中，云南电网风电占总发电电源装机的比例虽只有约 13%，但在春节低负荷、低外送方式下会出现特殊高占比运行方式。2019年春节期间，风电出力正常占比在 20%～40%，*大约 7000MW，*高占比达到 50%。我国中东部风电开发也在加速进行。2020年，华东 5个沿海省市在电价政策的影响下，海上风电市场随着陆上风电一齐快速增长，其中江苏省在 2020年新增风电装机 5GW，累计装机容量达到 15.5GW[6]。由此可见，无论是国外还是国内，部分地区中风电的比例已经相当高，甚至已成为局部电网中的主要电源，风电的局部高比例已经成为电力系统的一个重要特征。
　　1.1.2 风力发电的发展趋势
　　当前，局部高比例场景已在陆上、风电资源集中区域显现，近年全球陆上风电与海上风电新增装机容量对比如图1-2所示。未来，全球风电仍将保持高速发展的态势。据 GWEC预测，2021～2025年全球新增风电装机容量将达 469GW[1]，风电电源将由局部高比例逐步发展为全局高比例的新形态，特别是将来海上风电、分布式发电的崛起，会使并网风电格局由局部高比例转变为全局高比例。
　　图1-2 近年全球陆上风电与海上风电新增装机容量对比
　　在海上风电方面，海洋可再生能源行动联盟(Ocean Renewable Energy Action Coalition，OREAC)提出到 2050年，全球将有大约 1400GW的海上风电装机容量，覆盖全球约十分之一的电力需求 [7]，海上风电的发展在未来将具有更高的地位。 2009年之前，全球每年海上风电新增装机容量占全部风电新增装机容量的比例不到 1%，2010～2014年增长到约 3%，2016年之后占比达到了 9%。截至 2019年，欧洲海上风电占比为 11%，当年欧洲海上风电新增装机容量占总的新增装机容量的 24%。
　　2019年我国提前完成了“十三五”规划中原定 2020年完成 5GW并网海上风电的目标。目前我国已经是世界海上风电装机容量第三大的国家，位列英国、德国之后，并在 2018年、2019年连续两年超越英国成为世界上单年度海上新增风电装机容量*多的国家。在未来一段时间，海上风电仍将是新能源发电的重点发展领域，沿海省份也对未来的海上风电发展做出了规划 [1]。广东省在《广东省培育新能源战略性新兴产业集群行动计划 (2021—2025年)》中提出到 2025年海上风电装机总量达到 15GW；江苏省在《江苏省“十四五”可再生能源发展专项规划 (征求意见稿 )》中提出到 2025年底，全省海上风电并网装机规模达到 14GW，力争突破 15GW；浙江省在《浙江省可再生能源发展“十四五”规划》中指出“十四五”期间，全省海上风电力争新增装机容量 450万 kW以上，累计装机容量达到 500万 kW以上。
　　另外，分布式发电也将成为未来风电市场重要的组成部分。丹麦风电渗透率高居全球第一，分布式风电正是其陆上风电的主力；作为能源转型的标杆，德国在向清洁能源转型的过程中，大力发展包括分布式风电在内的分布式能源。除了分布式发电就地并网、就地消纳的优势，其发展也与当地的分布式发电的政策息息相关。 21世纪伊始，欧美国家以及日本等就已经从政策上大力扶持分布式发电 [8]。 2019年开始，我国政府也加大力度鼓励分布式风电项目的发展。国家发展改革委、司法部联合印发的《关于加快建立绿色生产和消费法规政策体系的意见》 [9]中明确提到要加大对分布式能源的政策支持力度，多省也已经出台分布式风电规划以及相关鼓励政策[10]，我国在 2019年审批核准并且开工建设多个分布式风电项目。我国的分布式风电已经进入一个新的快速发展阶段。
　　因此，未来风电发展将形成集中式与分布式风电、海上风电与陆上风电并举的局面。随着全球风电市场的不断深度发展，将有越来越多的地区形成高比例风电的电网，未来的电网将从局部的高比例风电场景过渡到全局性的高比例风电场景。
　　1.2 高比例并网风电引起的事故及其对电力系统动态的影响
　　随着高比例并网风电局部化程度不断加深以及全局化局面逐渐形成，高比例风电并网场景下的电网运行事故频发，对电力系统安全稳定运行造成了巨大的不利影响。目前，在部分风电占比较高的地区，如美国得克萨斯州，欧洲北海，我国华北沽源、新疆哈密等地区，已出现多种形态各异、机理不明的电网运行事故。按照事故发展的形态，较为典型的事故包含风电机组脱网事故、系统次 /超同步振荡事故和系统频率越限事故。充分认识高比例风电并网场景下各类事故的起因、经过及其引起的严重后果，掌握事故发生机制，对风电并网标准制定、风电设计制造及系统安全稳定运行和优化具有重要意义。
　　1. 风机暂态脱网事故对电力系统安全稳定造成的影响
　　由于电力电子变换器是变速风机并网的核心环节，且其应力过载能力较低，部分风机在系统扰动时会自动脱离电网，造成的后果极其严重。 2011年 4月 17日，我国河北张家口国华佳鑫风电场 35kV侧装备故障，引发 4座风电场 344台风电机组低压脱网，并*终造成张家口地区损失风电出力 854MW，占事故前张家口地区风电出力的 48.5%[11]。2016年 9月 28日，澳大利亚南澳大利亚州受极端恶劣天气影响，电网 88s内遭受 5次系统故障，引起 9座风电场共计 445MW的风力发电脱网，风电出力的大幅度损失进一步加剧了系统的功率不平衡，并使得南澳大利亚州与维多利亚相连的一条联络线严重过载跳闸，*终引发系统频率崩溃，南澳大利亚州电网全停[12]。
　　目前，从电力系统安全稳定运行的需求出发，许多国家、地区或电力运营企业发布了风电并网技术标准，要求风机具备一定的故障 (低电压、高电压 )穿越能力。但随着并网风电容量的增加，故障发生瞬间的应力过载不再是导致脱网事件的单一因素，故障期间、故障切除后出现的失稳成为诱发脱网事件的新生因素。
　　2. 次/超同步振荡事故对电力系统安全稳定造成的影响
　　随着并网风电占本地电源的比例的不断增加，电力系统出现了越来越多的大规模、集中式风力发电经远距离接入的弱支撑送端场景，而且在这些场景中频繁发生数十赫兹的振荡问题，造成了严重的系统设备受损停运事故 [13]。从 2010年 10月开始，我国华北沽源地区发生了上百次与双馈风电场和串补线路有关的次同步振荡，振荡频率在 3～10Hz变化，电流振幅*高可达基波的 50%左右，造成大量风机脱网[14]。另外在我国新疆哈密地区，从 2015年 7月以来，多次发生频率为 20～80Hz的振荡，严重时曾导致 3台火电机组扭振保护动作切机 [15]。2009年 10月发生的美国得克萨斯州某双馈风电场经串补线路送出系统次同步振荡事故，振荡频率约 20Hz，电压振荡幅值达到 1.9p.u.，造成大量双馈型风机电路损坏，风电场停运 [15]。此外，2014年 3月在欧洲北海某海上风电场经电压源型直流输电 (VSC-HVDC)发生的高频振荡事故中，振荡频率为 200～250Hz，导致直流换流站停运。
　　目前，部分次/超同步振荡事件(如沽源振荡、哈密振荡 )的机理仍未能得到很

目录
“智能电网技术与装备丛书”序
序一
序二
前言
绪论
第1章 高比例并网风电与电力系统动态问题 3
1.1 高比例并网风电基本情况 3
1.1.1 风力发电的发展现状 3
1.1.2 风力发电的发展趋势 4
1.2 高比例并网风电引起的事故及其对电力系统动态的影响 5
1.3 风电并网标准及其演化 7
1.3.1 风电并网标准的发展趋势 7
1.3.2 有功功率与频率控制能力 8
1.3.3 无功功率与电压控制能力 9
1.3.4 故障穿越能力 9
1.4 风电场与风电机组的控制架构 12
1.4.1 风电场的汇集方式与控制 13
1.4.2 风电机组的典型拓扑与控制 15
1.5 含高比例并网风电电力系统的动态问题 21
1.5.1 并网风电多尺度序贯响应过程 21
1.5.2 并网风电多尺度动态特性 23
1.5.3 含高比例并网风电电力系统的多尺度动态问题 23
1.6 本书的章 节安排 25
参考文献 26
上篇 并网风电及其控制
第2章 风力机及其控制 31
2.1 引言 31
2.2 风能捕获与风力机的动力学特性 32
2.2.1 风能捕获与转化 32
2.2.2 风力机的空气动力学特性 35
2.2.3 传动链结构及其模型 36
2.3 风力机的运行工作区 39
2.3.1 昀大风能跟踪 39
2.3.2 风力机的不同运行工作区及运行曲线 40
2.4 风力机的典型控制 41
2.4.1 转速控制 42
2.4.2 桨距角控制 43
2.4.3 轴系振荡的阻尼控制 43
2.5 风电机组的快速频率响应控制 44
2.5.1 风电机组的惯性响应控制 44
2.5.2 风电机组的一次调频控制 46
2.6 小结 52
参考文献 53
第3章 电网对称条件下风力发电机及其变换器的矢量控制 55
3.1 引言 55
3.2 风力发电机的数学模型 55
3.2.1 三相静止坐标系中异步发电机的数学模型 55
3.2.2 任意速旋转坐标系中异步发电机的数学模型 60
3.2.3 三相静止坐标系中永磁同步发电机的数学模型 63
3.2.4 转子坐标系中永磁同步发电机的数学模型 64
3.3 机侧变换器及其矢量控制 65
3.3.1 双馈异步发电机的矢量控制 65
3.3.2 鼠笼式异步发电机的矢量控制 70
3.3.3 永磁同步发电机的矢量控制 72
3.4 网侧变换器及其矢量控制 73
3.4.1 网侧变换器的数学模型与稳态特性 74
3.4.2 基于电网电压定向的网侧变换器矢量控制策略 80
3.5 小结 82
参考文献 83
第4章 电网不对称条件下风力发电机及其变换器的矢量控制 85
4.1 引言 85
4.2 电网不对称条件下双馈发电机及变换器的动态模型 85
4.2.1 不对称三相电磁量的瞬时对称分量及其表达形式 86
4.2.2 电网不对称条件下网侧、机侧变换器的数学模型 88
4.3 电网不对称条件下的控制目标设计 98
4.3.1 电网不对称条件下双馈型风机机侧变换器的控制目标 98
4.3.2 电网不对称条件下网侧变换器的控制目标 101
4.4 基于正/反转同步速旋转坐标系中双dq、PI电流调节器的矢量控制 104
4.4.1 网侧变换器双dq、PI电流调节器的控制设计 104
4.4.2 双馈型风机机侧变换器双dq、PI电流调节器的控制设计 108
4.5 基于正转同步速旋转坐标系中比例积分谐振电流调节器的矢量控制 110
4.5.1 网侧变换器PI-R电流调节器的控制设计 110
4.5.2 机侧变换器PI-R电流调节器的控制设计 112
4.6 机侧变换器输出电压约束对不对称控制的影响及对策 114
4.7 电网不对称条件下矢量控制基准检测技术 118
4.7.1 理想电网条件下的锁相环原理 118
4.7.2 电网不对称条件下的锁相环技术 119
4.7.3 正、负序双dq型锁相环技术 121
4.7.4 基于正、负序分解原理的锁相环技术 124
4.7.5 基于广义积分器原理的锁相环技术 126
4.8 小结 127
参考文献 128
第5章 电网对称/不对称短路故障下风电机组穿越运行 131
5.1 引言 131
5.2 并网导则中的故障穿越要求 131
5.3 电网电压跌落下双馈发电机的特性分析 134
5.3.1 正常工况下双馈发电机转子感应电动势特性 134
5.3.2 三相电压对称跌落下双馈发电机转子感应电动势特性 135
5.3.3 三相电压不对称跌落下双馈发电机转子感应电动势特性 138
5.4 故障穿越软件控制算法 141
5.4.1 动态定子磁链全前馈策略 142
5.4.2 去磁电流优化控制 146
5.5 故障穿越硬件解决方案 148
5.5.1 Crowbar技术 148
5.5.2 制动斩波器 150
5.5.3 机械制动与紧急变桨 151
5.6 全功率型风机的故障穿越方案 152
5.7 故障穿越软件硬件解决方案的序贯配合 152
5.8 小结 155
参考文献 156
下篇含高比例风电电力系统动态分析
第6章 含高比例风电电力系统的电磁尺度小信号频域建模及分析 161
6.1 引言 161
6.2 含高比例风电电力系统的电磁尺度小信号频域建模 161
6.2.1 装备的频域阻抗模型 161
6.2.2 系统的频域阻抗网络模型 168
6.2.3 阻抗网络的传递函数矩阵 169
6.3 基于频域模式法的系统动态稳定性分析方法 171
6.3.1 系统振荡模式的求取 171
6.3.2 节点和回路对振荡模式的参与因子计算 174
6.3.3 参与振荡的装备定位及其灵敏度分析 178
6.4 案例：沽源风电场稳定性分析 179
6.4.1 沽源风电场电磁尺度小信号频域模型 179
6.4.2 沽源风电场动态稳定性分析 180
6.4.3 基于电磁暂态仿真的分析结果验证 182
6.5 小结 184
参考文献 185
第7章 不对称故障穿越期间风电机组及网络的电磁时间尺度小信号动态建模与分析 187
7.1 引言 187
7.2 不对称故障穿越期间风电机组频域小信号建模 187
7.2.1 风电机组建模考虑的简化条件 188
7.2.2 风电机组输入输出原始关系 191
7.2.3 风电机组频域小信号模型 200
7.3 计及电流动态的不对称故障网络频域小信号模型 206
7.3.1 静止坐标系中不对称故障网络的外端口输入-输出关系 207
7.3.2 正、反转同步速旋转坐标系中不对称故障网络的频域小信号模型 211
7.4 不对称故障穿越期间风电机组并网系统的小信号稳定性分析 215
7.4.1 并网系统小信号稳定性问题 215
7.4.2 并网系统序间耦合等效折算 217
7.4.3 并网系统序间相互作用量化方法 223
7.4.4 并网系统小信号稳定性分析 226
7.5 小结 237
参考文献 238
第8章 风电机组的机电暂态特性建模及其并网电力系统暂态稳定性分析 240
8.1 引言 240
8.2 风电机组的机电尺度暂态模型及暂态特性分析 240
8.2.1“激励-响应”关系建模思路 241
8.2.2 机电尺度模型考虑的控制策略及简化条件 242
8.2.3 基于“激励-响应”关系的机电尺度暂态模型 244
8.2.4 机电暂态特性分析 250
8.3 单风电机组-无穷大系统的机电暂态行为分析 253
8.3.1 单风电机组-无穷大系统的功率传输特性 255
8.3.2 单风电机组-无穷大系统机电暂态稳定机理 256
8.3.3 单风电机组-无穷大系统机电相位暂态稳定性分析 261
8.3.4 无功支路控制对单风电机组-无穷大系统暂态稳定性的影响 268
8.4 风电机组-同步机两机系统的机电暂态稳定性 273
8.4.1 两机系统功率传输特性 274
8.4.2 两机系统机电暂态稳定机理 277
8.4.3 两机系统机电暂态行为分析 279
8.4.4 两机系统暂态稳定性的影响因素及影响规律 283
8.5 小结 285
参考文献 286
第9章 风电机组快速频率响应特性及其对电力系统频率动态的影响 287
9.1 引言 287
9.2 含高比例风电的电力系统频率动态问题 288
9.2.1 同步机主导的电力系统频率动态 288
9.2.2 高比例并网风电对电力系统频率动态过程的影响 289
9.3 含快速频率响应控制的风电机组机电运动方程建模 290
9.3.1 内电势运动方程 290
9.3.2 风电机组运动方程模型 291
9.4 风电机组的惯量响应特性 299
9.4.1 风电机组惯量的特点 299
9.4.2 不同工作区参数对风电机组惯量特性的影响 300
9.5 风电机组快速频率响应控制对电力系统频率动态的影响分析 303
9.5.1 含双馈型风机的电力系统频率动态分析方法 303
9.5.2 风电机组工作区与控制器参数对电力系统频率动态的影响分析 306
9.6 风电机组快速频率响应控制带来的其他影响 310
9.6.1 风电机组快速频率响应控制对电力系统低频振荡的影响 311
9.6.2 风电机组快速频率响应控制对风电机组传动链扭振的影响 314
9.7 小结 321
参考文献 322
附录1 矢量和复传递函数的坐标系变换关系 323
附录2 复传递函数与实传递函数矩阵描述的变换关系 324
附录3 双馈型风机并网系统仿真参数 326
附录4 典型发电机组及系统仿真参数 327