本书以“永磁同步风力发电”和“电力电子变流技术”为基础，从永磁同步发电机及其控制策略、各种变流器拓扑与控制，以及变流器主要电气部件工艺与设计等角度出发，系统讨论了永磁同步发电机、永磁同步发电机控制、网侧变流器的控制、基于不控整流型的PMSG变流器、基于三电平拓扑的PMSG变流器、基于级联多电平拓扑的PMSG变流器、基于模块化多电平变流器拓扑的PMSG变流器、基于矩阵变换器拓扑的PMSG变流器、基于电流源变流器拓扑的PMSG变流器、PMSG变流器的电网适应性控制，以及风电变流器主要部件工艺与设计等内容，为永磁同步全功率风电变流器技术的应用与研究提供一定的理论与技术参考。本书适合风电变流器、大功率变流器及其设计、永磁同步电机控制和可再生能源并网技术等领域的研究与工程技术人员阅读，也可作为高校从事电力电子技术教学和研究的教师、研究生的参考书。

第1章 绪论 1

1.1 风力发电技术及其产业发展 1

1.1.1 全球风电发展现状 1

1.1.2 中国风电发展概述 4

1.2 风力发电系统概述 5

1.2.1 风力发电基本原理 5

1.2.2 风力发电机的分类 6

1.2.3 风力发电机的组成 8

1.2.4 风电机组的功率控制 15

1.3 并网型风电机组的主要结构类型 18

1.3.1 定速型风电机组 18

1.3.2 变速恒频型风电机组 19

1.4 永磁同步全功率风电变流器概述 20

1.4.1 永磁同步全功率风机变流器拓扑 20

1.4.2 主要全功率风机变流器简介 25

参考文献 30

第2章 永磁直驱同步发电机 32

2.1 概述 32

2.2 永磁直驱同步风力发电机的结构及分类 33

2.3 永磁材料 36

2.3.1 铁磁材料的磁化曲线 36

2.3.2 永磁材料的性能指标 37

2.3.3 永磁材料的分类及钕铁硼永磁材料 39

2.3.4 永磁材料的选用原则 42

2.4 永磁同步发电机的磁路计算 43

2.4.1 永磁同步发电机的等效磁路 43

2.4.2 永磁体工作点的确定 49

2.5 永磁同步发电机的运行特性 50

2.5.1 电压方程和相量图 50

2.5.2 永磁同步发电机的电枢反应及电枢反应电感 51

2.5.3 永磁同步发电机的功率方程和功角特性 52

2.5.4 永磁同步发电机的外特性和固有电压调整率 53

2.5.5 永磁同步发电机的短路问题 54

2.5.6 电压波形正弦性畸变率 54

2.5.7 永磁同步发电机的损耗和效率 55

2.6 MW级永磁同步风力发电机的电磁设计 57

2.6.1 电磁设计的特点 57

2.6.2 电磁设计的要点 58

2.7 永磁同步发电机的温升与冷却 67

2.7.1 永磁同步发电机的温升 67

2.7.2 永磁同步发电机的传热分析 68

2.7.3 永磁同步发电机的最高温升 70

2.7.4 永磁同步发电机的冷却 71

2.8 本章小结 72

参考文献 72

第3章 永磁同步发电机的控制 74

3.1 PMSG的矢量解耦控制策略 74

3.1.1 矢量控制原理 74

3.1.2 PMSG的磁场定向解耦控制 75

3.1.3 PMSG的弱磁控制 77

3.1.4 PMSG的效率最优控制 78

3.2 PMSG的直接转矩控制 79

3.2.1 直接转矩控制原理 79

3.2.2 定子磁链的估计 82

3.2.3 定子电流的最小化控制 84

3.3 PMSG的无速度传感器控制 85

3.3.1 PMSG无速度传感器控制概述 85

3.3.2 基于锁相环和模型参考自适应的PMSG无速度传感器控制 89

3.3.3 基于滑模观测器的PMSG无速度传感器控制 91

3.4 PMSG的参数辨识 98

3.4.1 参数辨识方法概述 98

3.4.2 基于最小二乘法的永磁同步发电机参数辨识 99

3.4.3 基于矢量控制系统的直接参数辨识法 102

3.5 本章小结 103

参考文献 104

第4章 网侧变流器的控制 109

4.1 概述 109

4.2 网侧变流器的重复控制策略 111

4.2.1 重复控制基本原理及其设计方法 112

4.2.2 传统重复控制结构问题分析 114

4.2.3 一种改进的重复控制结构 118

4.3 网侧变流器的无差拍控制 122

4.3.1 系统物理电路的离散化模型 122

4.3.2 无差拍控制的一般方法 123

4.4 网侧变流器的模型预测控制 126

4.4.1 系统模型的建立 127

4.4.2 滞环模型预测控制原理 128

4.4.3 HMPC控制系统谐振特性分析及其抑制 129

4.5 网侧变流器的LCL滤波器及其改进 133

4.5.1 采用LCL滤波器时网侧变流器输出滤波性能分析 133

4.5.2 LCL滤波器改进拓扑的分析比较 136

4.6 本章小结 141

参考文献 141

第5章 基于不控整流型的PMSG变流器 143

5.1 基于不控整流的PMSG变流器 143

5.2 基于Boost不控整流型PMSG变流器 145

5.2.1 采用无源PFC的基于Boost不控整流型PMSG变流器 146

5.2.2 采用有源PFC的基于Boost不控整流型PMSG变流器 147

5.2.3 基于Boost不控整流型PMSG变流器的控制 153

5.3 基于Vienna整流器的PMSG变流器 155

5.3.1 Vienna整流器的工作原理分析 156

5.3.2 Vienna整流器的控制 158

5.4 本章小结 159

参考文献 160

第6章 基于三电平拓扑的PMSG变流器 161

6.1 三电平PMSG变流器的基本拓扑结构和关键技术 161

6.1.1 基于二极管箝位型三电平拓扑结构 161

6.1.2 基于飞跨电容的三电平拓扑结构 162

6.1.3 三电平变流器的关键技术 163

6.2 三电平PMSG变流器调制策略和网侧滤波器的优化 170

6.2.1 DPWM调制策略比较分析 171

6.2.2 网侧滤波器的优化设计 175

6.3 基于模块化并联的三电平PMSG变流器 178

6.3.1 模块化并联方案及其控制 179

6.3.2 模块化并联变流器的零序环流分析 182

6.3.3 模块化并联三电平的零序环流抑制 188

6.4 小结 196

参考文献 196

第7章 基于级联多电平拓扑的PMSG变流器 199

7.1 概述 199

7.2 H桥级联型多电平逆变电路与多相PSMG 200

7.2.1 基于H桥逆变器的功率单元电路 200

7.2.2 基于H桥级联型多电平逆变器拓扑 201

7.2.3 H桥级联型逆变器工作原理 202

7.2.4 单相级联H桥的并网控制 205

7.2.5 多相永磁同步发电机 208

7.3 采用级联多电平技术的PMSG风电变流器拓扑与控制 209

7.3.1 基于不控整流级联型PMSG风电变流器 209

7.3.2 基于可控整流级联型PMSG风电变流器 212

7.4 级联多电平逆变器的调制策略 216

7.4.1 级联多电平逆变器的调制 216

7.4.2 阶梯波调制法 216

7.4.3 载波调制PWM法 218

7.4.4 空间矢量调制法 223

7.4.5 单极性倍频载波相移调制法的谐波特性 225

7.5 本章小结 228

参考文献 228

第8章 基于MMC拓扑的PMSG变流器 231

8.1 MMC概述 231

8.2 基于MMC拓扑的风电变流器及其直流输电系统 233

8.3 MMC的等效模型电路、运行及调制原理 237

8.3.1 MMC等效模型电路 238

8.3.2 MMC运行原理及基本方程 239

8.3.3 MMC调制原理 242

8.4 MMC电容电压平衡策略 244

8.4.1 同一桥臂内子模块电容电压的平衡控制策略 245

8.4.2 桥臂电压均衡控制策略 248

8.4.3 输出低频交流时电容电压脉动抑制策略 253

8.5 本章小结 258

参考文献 259

第9章 基于矩阵变换器（MC）拓扑的 PMSG变流器 261

9.1 概述 261

9.1.1 常规矩阵变换器（CMC）的研究概况 262

9.1.2 双级矩阵变换器（TSMC）的研究概况 263

9.1.3 基于MC的商用变频器开发 264

9.1.4 基于MC的双馈风电变流器技术 265

9.2 基于MC的PMSG直驱式风力发电系统 265

9.2.1 基于CMC-PMSG的直驱式风力发电系统 266

9.2.2 基于TSMC-PMSG的直驱式风力发电系统 266

9.2.3 基于SSMC -PMSG的直驱式风力发电系统 267

9.2.4 基于RMC -PMSG的直驱式风力发电系统 267

9.2.5 基于MC的PMSG变流器控制策略 268

9.3 常规矩阵变换器（CMC）的间接空间矢量调制策略 269

9.3.1 CMC基本原理 269

9.3.2 等效交—直—交结构的空间矢量调制 275

9.3.3 改进的降低开关损耗的的调制策略 282

9.3.4 四步换流策略 284

9.4 双级矩阵变换器（TSMC）的调制策略 286

9.4.1 TSMC的空间矢量调制策略 286

9.4.2 TSMC的共模电压抑制 293

9.5 基于CMC的控制器设计 296

9.5.1 控制电路结构 296

9.5.2 解码器 297

9.5.3 延迟器 299

9.5.4 四步换流开关序列 300

9.6 本章小结 300

参考文献 301

第10章 基于电流源型变流器（CSC）拓扑的PMSG变流器 303

10.1 概述 303

10.2 基于系统运行电流优化的CSC-PMSG协调控制策略 304

10.2.1 电流源型变流器直流电流控制 304

10.2.2 满足发电机控制要求的CSC最小直流电流控制 306

10.2.3 满足并网要求的CSC最小直流电流控制 308

10.2.4 运行电流优化的CSC-PMSG系统协调控制方案 311

10.2.5 电流优化控制策略仿真验证 313

10.3 网侧逆变器并网控制策略 315

10.3.1 电流源型并网逆变器主电路拓扑 316

10.3.2 电流内环变结构并网控制策略 317

10.3.3 控制策略仿真验证 329

10.4 本章小结 333

参考文献 333

第11章 PMSG变流器的电网适应性控制 336

11.1 PMSG变流器的电网适应性控制概述 336

11.2 电网电压不平衡条件下PMSG变流器控制 337

11.2.1 不平衡控制关键技术 337

11.2.2 网侧变流器的不平衡控制策略 345

11.3 电网电压谐波下的PMSG变流器控制 354

11.3.1 电网电压谐波下的PMSG变流器数学模型 354

11.3.2 电网电压谐波下的PMSG变流器控制策略 355

11.4 PMSG变流器低电压穿越（LVRT）及其控制策略 358

11.4.1 风力发电低电压穿越的标准 358

11.4.2 电网电压跌落的类型和特点 360

11.4.3 DMSG变流器低电压穿越控制策略 361

11.5 PMSG变流器高电压穿越（HVRT）及其控制策略 374

11.5.1 高电压穿越（HVRT）的背景和研究现状 374

11.5.2 PMSG变流器高电压穿越控制策略 376

11.6 本章小结 378

参考文献 379

第12章 风电变流器主要部件工艺与设计 381

12.1 变流器开关器件选型 381

12.1.1 IGBT模块选型的基本准则 382

12.1.2 IGBT模块电压和电流的选择 383

12.1.3 IGBT模块温升设计要求 386

12.1.4 IGBT模块绝缘耐压的选择 392

12.2 薄膜电容概述 393

12.2.1 薄膜电容器及其基本构造 393

12.2.2 薄膜电容基本参数、等效模型以及主要参数间关系 395

12.2.3 常见薄膜材料参数比较 397

12.2.4 薄膜电容器常用填充材料 399

12.2.5 薄膜电容的工艺技术 402

12.2.6 DC-link薄膜电容简介及其与铝电解电容对比 404

12.2.7 DC-link薄膜电容在风电变流器中的应用 404

12.3 低电压穿越电阻概述及应用 406

12.3.1 低电压穿越电阻简介 406

12.3.2 低电压穿越电阻的应用与市场 407

12.3.3 低电压穿越电阻材料的选择 407

12.3.4 低电压穿越电阻的结构、设计及测试 410

12.4 水冷电抗器的概述及应用 412

12.4.1 电抗器简介 412

12.4.2 水冷电抗器的分类及特点 413

12.4.3 水冷电抗器的应用 414

12.5 叠层母排简介及应用 414

12.5.1 叠层母排简介 414

12.5.2 叠层母排材料的选择 416

12.5.3 叠层母排的电感分析及低电感优化设计 418

12.5.4 绝缘材料的绝缘强度 421

12.5.5 叠层母排的设计原则和工艺 422

12.5.6 叠层母排的测试 426

参考文献 428