第1章 绪论
风力发电系统融合了可再生能源、电力系统、电力电子、电机学、运动控制理论等领域，是一个时变的非线性、非自治、多时间尺度机电相互作用的复杂能量转换系统[1]。风力发电作为一种环境友好型可再生能源发电，是技术*成熟的新能源发电方式，随着现代风力发电技术的进步，风电已逐步发展为电网友好型清洁电力。
双馈式风电机组由于能够变速运行、励磁变频器仅处理转差功率而成为风电领域一种较先进和理想的技术，工业应用也*广泛[2，3]。双馈感应电机(doubly-fed induction generator，DFIG)的定子与电网直接相连，转子由双向变流器提供励磁，通过定子磁链定向控制转子励磁电流的频率、幅值和相位，实现转子侧交流励磁，再通过电压定向控制实现定子侧变速恒频和功率因数控制，实现DFIG柔性并网运行。
直驱式永磁同步电机(permanent magnet synchronous generator，PMSG)的转子与风机叶轮直接连接，省去了故障率高的齿轮箱，具有机械损耗小、运行效率高、维护成本低、调速范围宽等优点，近年来在大功率风电机组领域的应用非常广阔[4，5]。机组通过全功率变流器与电网相连，是保证并网电能质量的核心，一旦电网发生电压跌落故障，由于发电机与电网实现了解耦，不会直接影响到风机的运行特性，相对于双馈式风电机组具有更强的低电压穿越(low voltage ride through，LVRT)能力。
研究可以改善电能质量的设备对风电并网运行与控制具有重要意义[6]，电力系统电能质量调节装置应用于风电并网电能质量控制和实现LVRT具有理论可行性，将风力发电技术与新型电能质量控制拓扑相结合是近年来的研究热点。九开关变换器(nine switch converter，NSC)因结构精简、体积小、损耗低、驱动简化、功率密度高、成本低等优点，在配电网电能质量控制领域受到了广泛关注。NSC由于优良的电能质量控制能力，可用于非理想电网条件下风电系统的运行与控制，本书针对将新型NSC拓扑用于风力发电技术与电能质量控制的深度融合，利用NSC取代主流的双馈和永磁同步直驱型风电机组背靠背变换器、网侧变换器以及实现统一电能质量控制器(unified power quality conditioner，UPQC)功能开展了大量深入的研究工作，取得了与理论分析高度一致的结果。
大型风电集群由于功率汇聚效应在一定程度上能解决供电不稳定性问题，但与其他常规发电资源的可靠、可控、可调度相比，风力发电受自然气候影响，具有严重的随机性、间歇性、波动性特点。高效储能系统可调整发电与供电之间的时差矛盾，能够从时间和空间上有效地隔离电能的生产和使用，可同电网进行功率交换，实现风电的时空平移，既能削峰填谷，又能平滑功率波动，使风电成为稳定可调度的清洁电源，实现电网多电源和谐发展。
本书针对主流并网型风力发电系统——双馈式和直驱式风力发电系统，将改善配电网电能质量的九开关变换器与可再生能源发电相结合，引入NSC是对前人工作的一种改进和提升，是提高风电并网运行与控制能力的扩展思路。针对新型九开关变换器以及储能技术在风力发电领域的应用等问题，本书对双馈和永磁同步电机数学模型、仿真建模、运行与控制、低电压穿越，九开关变换器拓扑结构、数学模型、调制原理与开关模式以及三次谐波注入法调制，NSC实现UPQC功能提升DFIG和PMSG运行与控制能力、混合储能平滑风电出力、NSC改善分散式混合风电运行与控制、大型风储联合运行等关键问题进行较深入的研究。
1.1 国内外主流风电改善运行特性与功率调节研究状况
随着化石能源日益短缺和环境污染日益严重，充分开发和利用清洁可再生能源是解决能源问题的必然选择。风能作为一种清洁可替代能源，得到了迅猛发展，其中双馈型和永磁同步直驱型风电机组成为主流机型。随着风电占比提升，风电与接入电网的相互影响日益强化，改善风电机组灵活功率调节、优化故障运行与电能质量控制成了研究热点。
主流的DFIG和PMSG风力发电系统都是多变量、非线性、强耦合的机电能量转换系统，早期的研究热点集中于动态数学模型、仿真建模、先进控制策略、暂态分析、实验验证方面。
1.1.1 国外DFIG式风电改善运行特性与功率调节研究状况
近十年来，低电压穿越控制成为改善风电运行特性的一个新研究热点，主要实现方法有转子侧加装Crowbar保护电路、网侧串联动态电压恢复器(dynamic voltage restorer，DVR)以及直流环节附加储能系统等。其主要实现方案如图1-1所示。
早期的DFIG-LVRT大多采用Crowbar保护电路实现，采用Crowbar电路短接转子绕组为转子侧浪涌电流提供通路，从而保护电机和变流器，这使得DFIG在电网故障时变为不可控大转子电阻笼型异步发电机运行，故障时需要从电网吸收大量无功，此时DFIG对电网电压失去控制作用，甚至阻碍故障切除后电网电压的恢复。近年来，有关LVRT的研究又有了新的进展，部分学者提出在DFIG转子侧变换器直流母线加装Chopper卸荷电路，且在传统电流环的基础上附加磁链环的双闭环控制策略改善故障穿越性能的方案，在小幅电网电压跌落故障下不仅能控制有功和无功，而且能衰减定子磁链的暂态，实现近乎平直的定子有功功率和电磁转矩。Huang等[7]提出了新颖的DFIG无磁链观测器电流反向追踪控制策略应对严重电网对称和不对称故障，解决了过流、过压问题，同时抑制了电磁转矩振荡，改进的控制策略还能提供动态无功支持。Li等[8]提出不附加额外设备的改进型磁链幅值和角度控制应对DFIG的LVRT运行策略，通过仿真验证了所提策略的有效性。有学者尝试在DFIG转子侧变换器的附加前馈参考电流控制中引入原电流环策略，在不影响原电流环稳定性的前提下，获得了精确的暂态控制目标，提升了系统对双馈电机参数漂移和电网频率波动的鲁棒性。Haidar等[9]针对DFIG的LVRT提出采用转子侧Crowbar电路和直流母线Chopper卸荷电路双重保护策略，在电网电压故障期间，二者彼此协调保护转子侧变换器和直流侧电容，提升了机组故障穿越能力，相比传统的常规Crowbar保护，具有更快的电网恢复能力，采用双重保护方案不仅能在故障时消耗转子侧能量，还能限制转子侧变换器的电流，因此能保护转子侧变换器和减小直流母线电容的过压损坏。Alsmadi等[10]针对大型风电高渗透率对电力系统的动态特性影响日益严重的情况，对DFIG在对称和不对称电网故障下LVRT运行的暂态特性和动态行为进行了深入广泛的研究。
立足于电能质量控制与风电应用相结合，有些学者尝试在DFIG转子侧变换器拓扑结构不变的前提下通过控制策略切换进行风力发电与动态无功补偿和谐波抑制一体化控制，在此基础上，Flannery和Venkataramanan[11]提出了网侧采用并联整流和串联逆变的新型复合式拓扑结构来加强LVRT能力。立足于电压跌落时对电网电压支撑的考虑，Ramirez等[12]提出了采用网侧加装DVR来提高鼠笼异步风电机组的LVRT能力，Wessels等[13]提出新颖的Crowbar电路结合DVR实现DFIG-LVRT，遗憾的是，该文献没有对DFIG的电流不平衡度做深入研究，且增加了硬件成本和控制复杂性，但这是将DVR和DFIG-LVRT相结合的开端，近年来，广泛应用于电力系统的DVR因配置灵活、性能优越、成本适中等优点，在风电LVRT领域的应用引起了越来越多的关注。有关研究包括：在电网电压恢复时，提出采用串补策略的DVR发出无功提升LVRT能力；通过三相桥式结构DVR向定子侧串联变压器注入电压实现DFIG-LVRT；在定子电压跌落和恢复时采用DVR抑制定子磁链衰减分量，可有效避免故障期间转子电流浪涌冲击，实现转子电流基本上无超调且保持正弦波、定子有功和电磁转矩更加平滑；采用前馈和反馈相结合的DVR提升DFIG-LVRT能力，通过仿真和实验验证了所提方案对无功功率补偿以及电压和潮流控制的有效性，DVR的投入运行提升了机组的故障穿越性能；采用DVR与DFIG转子侧变换器共用直流母线拓扑，且DVR侧采用全钒液流电池储能，研究结果显示该方案抑制了风电出力波动并补偿了电压畸变，提升了故障穿越能力和风电消纳水平。
在研究单机运行、控制和功率调节的基础上，近期相关科技工作者又开始对风电集群展开了研究，Wang等[14]针对多风电集群的柔性故障穿越(flexible fault ride through，FFRT)运行，提出了新颖的风电集群分类策略，并基于DIgSILENT PowerFactory软件进行了仿真分析，验证了所提方案对实现大型风电集群故障穿越的有效性。立足分布式可再生能源发电灵活并网辅助服务，有学者提出了逆变器注入无功功率实现电压控制的新方法，可实现不同电网电压故障工况下分布式发电增强电压支撑和故障穿越运行，测试结果证实了控制算法的理论特性，其较传统控制方式有明显优点。Huang等[15]基于成本有效保护策略，提出了新颖的DFIG风电系统动态调整串联电阻的暂态定子电压控制算法，实现电网故障期间串联电压补偿和缓解有功不平衡，加强了FFRT特性，满足了风电场并网导则的要求。
大型风光同场建设在一定程度上能弥补单*风力发电或光伏发电的供电不稳定性，但与常规发电模式的可靠、可控、可调度相比，风力发电和光伏发电受自然气候影响较大，具有随机性、间歇性、波动性特点，因此调度比较困难。高效储能系统可快速调节发电与供电之间的时差矛盾，能够从时间和空间上有效地隔离电能的生产和使用，可同电网进行功率交换，实现风电和光电的时空平移，既能削峰填谷，又能平滑功率波动，使风电和光电成为稳定可调度的“绿色”电源，从而保证风电和光伏电站发电的连续性和稳定性，参与电网实时调度，实现电网多电源和谐发展，将风电和光电发展为电网友好型“绿色”电力。国外针对DFIG平滑出力的研究也持续了多年，为了解决DFIG输出波动问题，有学者提出采用超导故障电流限制器磁储能线圈串联接入定子或转子电路方案，在DFIG正常运行时实现平滑出力波动，在电网故障时超导线圈能自动作为限流电感限制定转子浪涌电流，实现了故障穿越和平滑出力一体化。为了避免不必要的能量损耗，有学者利用电网频率偏差风险评估模式的DFIG输出功率波动控制器，在平滑出力和能量损耗之间实现寻优控制，使大型双馈式风电场在非正常风速下规避频率偏差事故。
1.1.2 国外PMSG式风电改善运行特性与功率调节研究状况
直驱式永磁同步发电机转子与风机叶轮直接连接，省去了高故障率的齿轮箱，具有机械损耗低、运行效率高、维护成本低、调速范围宽等优点，在大功率风电机组领域的应用非常广泛。
国外对于PMSG-LVRT的研究比DFIG-LVRT要少，主要原因是PMSG通过全功率变流器与电网直接相连，一旦电网发生电压跌落故障，由于发电机与电网实现了解耦，不会直接影响到风机的运行特性，相对于双馈式风电机组具有更强的LVRT运行能力。其实现LVRT的关键问题在于如何维持直流环节电容电压的稳定，主要方法有改善控制策略、中间直流环节加装Chopper卸荷电路、网侧串联DVR以及直流环节附加储能系统等。其主要实现方案如图1-2所示。
Kim等[16]提出基于反馈线性化的机侧变换器而不是传统的网侧变换器控制直流电压策略，实现电网电压故障时的LVRT运行，通过2MW PMSG机组仿真与2.68kW小功率实验验证了所提控制策略的有效性。Yaramasu等[17]针对机侧二极管整流、网侧二极管钳位三电平逆变器的PMSG全功率变流器拓扑结构，提出了预测控制加强直驱式PMSG机组在电网故障工况时的LVRT运行能力。为了加强PMSG在电网非正常扰动时的动态特性和故障运行能力，有学者提出有源扰动注入控制器方法，满足了并网导则的要求。中间直流侧加入Ch
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