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第1章 概述1

1.1 全球风能利用情况1

1.1.1 亚洲1

1.1.2 北美洲5

1.1.3 欧洲7

1.1.4 拉丁美洲7

1.1.5 太平洋地区7

1.1.6 非洲和中东地区7

1.2 市场预测7

1.3 当前和未来的技术发展11

1.3.1 风力发电机组11

1.3.2 电力电子变流器技术12

1.3.3 海上风电场12

1.3.4 运行与维护14

1.3.5 中大容量电力传输14

1.3.6 可变性与可预测性14

1.3.7 储能15

1.3.8 电网规范15

1.4 本书中的风力发电16

1.5 结论19

参考文献19

第1部分 风力发电系统第2章 风力发电机的损耗和效率计算方法21

2.1 引言21

2.2 笼型感应发电机的计算方法22

2.2.1 计算方法概述22

2.2.2 计算所需模型和公式23

2.2.3 计算结果27

2.3 永磁同步发电机的计算方法28

2.3.1 系统配置28

2.3.2 计算所需的模型和公式29

2.3.3 计算结果33

2.4 双馈感应发电机的计算方法36

2.4.1 系统配置36

2.4.2 计算所需的模型和公式36

2.5 三种风力发电机（IG、PMSG、DFIG）利用率的比较研究41

2.5.1 威布尔分布函数41

2.5.2 利用率计算结果41

2.6 结论42

参考文献43

第3章 超导直驱风力发电机：优势与挑战44

3.1 引言44

3.2 大容量海上风力机45

3.3 驱动链47

3.4 发电机类型48

3.5 第一代：铜和钢材料48

3.5.1 欧姆定律和发热49

3.5.2 磁钢和磁路50

3.6 第二代：Nd2Fe14B、铜和钢材料50

3.7 第三代：超导体、铜和钢52

3.7.1 超导率53

3.7.2 高温超导材料55

3.7.3 赛道状线圈和发电机设计57

3.8 直驱超导发电机的优势59

3.9 技术挑战61

3.9.1 低温箱厚度的最小化61

3.9.2 转矩传递管62

3.9.3 当前发展状况和备选方案63

3.9.4 路线图63

3.10 结论64

参考文献65

第4章 风力发电系统中SiC电力电子新技术的潜在应用和影响67

4.1 风力发电和电力电子技术概述67

4.1.1 风力发电系统中电力电子技术的发展状况69

4.1.2 SiC电力电子开关及其在风力发电系统中的潜在应用71

4.2 SiC全功率风力发电系统变流器的研究75

4.2.1 风力发电系统的部件及其模型75

4.2.2 仿真和讨论83

4.3 结论86

参考文献87

第5章 一种风电场中风力机／发电机互连的新方法91

5.1 引言91

5.2 系统的基本方程92

5.3 系统结构93

5.4 任意台风力发电机构成的系统的运行方法94

5.4.1 通过晶闸管逆变器连接的负载94

5.4.2 直流环节连接电阻负载95

5.5 两台风力发电机互连的基本特性96

5.6 动态特性101

5.6.1 系统的动态模型101

5.6.2 恒定叶尖速比控制系统102

5.6.3 自然风驱动风力机时的动态响应103

5.7 多台风力机的动态响应（4台风力机的情况）105

5.8 结论106

参考文献107

第6章 开关磁阻变速风力发电机的并网方案108

6.1 引言108

6.2 SRG结构109

6.3 转矩的产生110

6.3.1 工作原理110

6.3.2 磁化曲线110

6.3.3 静态转矩曲线112

6.4 SRG变流器系统113

6.5 SRG的静态特性113

6.6 SRG磁化曲线的表示方法113

6.7 SRG静态特性的计算114

6.8 SRG的逆变电路115

6.8.1 不对称半桥功率逆变器116

6.8.2 带有分离直流电源的功率逆变器116

6.8.3 带有双线绕组的SRG的功率逆变器117

6.9 SRG在风能中的应用117

6.9.1 风力机建模118

6.9.2 包括变流器的SRG建模118

6.9.3 网侧逆变器的控制121

6.9.4 模型系统122

6.9.5 仿真结果122

6.10 结论125

参考文献125

第7章 风力发电机的动态模型与控制127

7.1 风力机的结构127

7.2 风力机模型128

7.2.1 风力机的控制方法128

7.2.2 MPE算法下的风力机动态特征129

7.3 发电机的动态特性131

7.4 电力电子变流器的动态性能132

7.5 风力机的控制133

7.5.1 偏航控制133

7.5.2 变桨距控制133

7.5.3 发电机控制134

7.5.4 电力电子变流器控制134

参考文献135

第2部分 风电行业的基本问题第8章 风力机的电压闪变测量137

8.1 引言137

8.2 风力机电压波动的测试过程138

8.2.1 虚拟电网139

8.2.2 连续运行140

8.2.3 切换运行141

8.3 电能质量测试系统142

8.3.1 SAC-2调节系统143

8.3.2 SARPE 2.1控制系统144

8.3.3 闪变测量的后期处理模块145

8.4 虚拟电网的分析145

8.4.1 由um（t）计算u0（t）146

8.4.2 um（t）滤波后u0（t）的计算150

8.5 使用实际信号的结果156

8.6 结论158

参考文献159

第9章 每小时风速和功率预测的灰色预测器160

9.1 引言160

9.1.1 基于时间序列的预测技术161

9.1.2 基于空间的预测技术161

9.1.3 物理功率预测模型161

9.2 灰色预测滚动模型163

9.2.1 GM（1,1）传统灰色滚动模型164

9.2.2 基于自适应α模型的GM（1,1）模型170

9.2.3 改进的转移灰色模型173

9.2.4 平均灰色模型176

9.3 每小时风力发电预测179

9.4 结论182

参考文献182

第10章 大型风力机叶片的防雷保护184

10.1 引言184

10.2 风力机闪电发生率估计185

10.3 旋转叶片的影响186

10.4 风力机雷电流的瞬变状态187

10.5 碳纤维增强塑料的影响189

10.6 风力机感应雷的影响192

10.7 结论与建议192

参考文献193

第11章 风电场的雷电浪涌196

11.1 引言196

11.1.1 风力机雷击事故196

11.1.2 冬季闪电和“回流浪涌”196

11.1.3 加强风电场集电系统的必要性197

11.2 雷电浪涌分析的风电场模型197

11.2.1 风电场模型197

11.2.2 冬季雷模型199

11.2.3 浪涌保护设备模型199

11.2.4 ARENE和PSCAD/EMTDC模型描述200

11.3 雷电浪涌分析Ⅰ：ARENE和EMTDC比较201

11.3.1 浪涌电流波形的基本比较201

11.3.2 风电场浪涌电流传播比较202

11.3.3 风电场浪涌电流传播趋势202

11.4 雷电浪涌分析Ⅱ：回流浪涌引发的SPD事故202

11.4.1 风电场浪涌电流传播分析202

11.4.2 浪涌电流波形分析204

11.4.3 SPD烧损比分析204

11.4.4 结论性的讨论207

11.5 雷电浪涌分析Ⅲ：架空地线的影响207

11.5.1 风电场集电线的模型207

11.5.2 SPD波形观察209

11.5.3 SPD烧损概率估计210

11.5.4 接地系统电位升高估计211

11.5.5 结论性的讨论212

11.6 结论212

参考文献213

第12章 风力发电的并网和系统运行215

12.1 引言215

12.2 并网要求218

12.2.1 有功功率控制218

12.2.2 频率控制219

12.2.3 电压控制220

12.2.4 通信要求226

12.2.5 监控与数据采集（SCADA）226

12.2.6 其他要求226

12.3 风力发电系统运行：印度经验227

12.3.1 风力发电的收益227

12.3.2 运行问题229

12.3.3 并网和分布式发电230

12.3.4 互补的商业机制230

12.3.5 风能和太阳能发电调度的特惠政策232

12.4 讨论233

12.5 结论234

参考文献234

第13章 提高自治孤岛系统中可再生能源接入能力的抽水蓄能应用236

13.1 引言236

13.2 系统概述238

13.3 规章制度概述239

13.4 HPS岛屿自治电网的运行规程240

13.4.1 替代规程的讨论240

13.4.2 本章所提的岛屿电力系统运行规程243

13.4.3 HPS内部管理决策244

13.5 所提规程的评估245

13.5.1 系统建模245

13.5.2 个案研究247

13.6 HPS投资预计251

13.6.1 容量保证计算251

13.6.2 HPS投资经济评估253

13.7 实例：伊卡里亚岛HPS255

13.7.1 伊卡里亚岛HPS和电力系统说明255

13.7.2 伊卡里亚岛HPS的内部运行规程256

13.7.3 HPS运行结果258

13.8 技术问题讨论263

13.9 结论264

附录1：伊卡里亚岛HPS和APS的技术数据264

附录2：基本财务指标267

参考文献267

第14章 采用最优储能的SMES抑制电网频率波动270

14.1 引言270

14.1.1 可再生能源270

14.1.2 未来世界风能的前景271

14.2 SMES概述273

14.2.1 SMES的优点274

14.2.2 SMES在负载频率控制方面的应用274

14.3 系统模型的仿真分析274

14.4 稳压器和调节系统276

14.4.1 水能、热能和核能发电的调节器276

14.4.2 电压自动调节器277

14.4.3 负载频率控制模型279

14.5 计算电力系统频率的方法279

14.5.1 SMES的控制系统280

14.5.2 线路参考功率PLref的产生281

14.6 SMES额定功率的分析282

14.7 仿真结果285

14.8 结论292

参考文献292

第3部分 海上风电趋势第15章 海上强风发电的空间观测295

15.1 引言295

15.2 散射仪296

15.3 高度因素296

15.4 稳定因素298

15.5 气候分布300

15.6 区域特征301

15.6.1 空气动力学301

15.6.2 陆地地形302

15.7 结论309

参考文献309

第16章 采用电网换相整流器的HVDC输电环节连接的4个并联运行海上风电场的潮流控制和稳定性提高311

16.1 引言311

16.2 所研究系统的结构313

16.2.1 风速模型314

16.2.2 风力机模型315

16.2.3 质量-弹簧-阻尼器模型316

16.2.4 感应发电机模型317

16.2.5 励磁电容器组模型317

16.2.6 升压变压器、交流输电线和电网模型317

16.2.7 电网换相整流器的HVDC输电环节模型318

16.3 采用模态控制理论设计的PID RCR320

16.3.1 线性化系统320

16.3.2 PID RCR的设计321

16.4 稳态分析322

16.4.1 不同风速下的稳态运行条件322

16.4.2 不同风速下的动态稳定性322

16.4.3 PID RCR参数的特征值灵敏度322

16.4.4 分析结果的总结328

16.5 不同风速扰动条件下的动态性能仿真328

16.5.1 施加于4台IG的相同风速扰动328

16.5.2 施加于4台IG的不同风速扰动328

16.6 结论332

附录332

参考文献333

第17章 HVDC输电连接的大型海上风电场的故障穿越336

17.1 HVDC输电互连的大型海上风电场336

17.2 系统概述和运行原理336

17.2.1 GSVSC的建模和控制338

17.2.2 WFVSC的建模和控制339

17.3 陆上电网交流侧故障时系统的故障穿越340

17.3.1 GSVSC341

17.3.2 WFVSC342

17.4 案例分析344

17.4.1 选择1344

17.4.2 选择2346

17.4.3 选择3347

17.5 结论348

参考文献348

第18章 采用基于二极管的HVDC输电环节连接的海上风电场350

18.1 引言350

18.1.1 大型海上风电场的HVDC输电连接351

18.1.2 基于二极管的HVDC输电环节351

18.1.3 本章所提方案352

18.2 整个系统的概述和建模352

18.2.1 概述352

18.2.2 风力机352

18.2.3 海上交流电网和基于二极管的HVDC输电环节355

18.3 风电场和HVDC输电集成控制356

18.3.1 总体控制策略356

18.3.2 风力机控制357

18.3.3 风力机并网360

18.3.4 集成的风电场和HVDC输电控制364

18.3.5 使用VDCOL输电环节的保护366

18.4 系统性能367

18.4.1 孤岛运行（运行模式A）368

18.4.2 并网运行371

18.4.3 暂态性能372

18.5 讨论与结论376

参考文献377

第19章 具有HVDC输电的风电场的惯性和基频响应特性379

19.1 引言379

19.2 LCC-HVDC输电的平均模型和传统控制382

19.3 HVDC输电的惯性响应优化和频率下垂控制383

19.3.1 惯性响应优化383

19.3.2 频率下垂控制384

19.4 风电的协调控制385

19.5 案例分析386

19.5.1 对惯性改善结果的讨论388

19.5.2 频率下垂389

19.5.3 惯性改善和频率下垂391

19.5.4 基于VSC的HVDC输电应用391

19.6 结论392

参考文献392

第20章 带有双向变流器的HOTT功率控制器（HPB）394

20.1 引言394

20.2 HPB模型系统395

20.2.1 模型建立395

20.2.2 海上风力发电机396

20.2.3 潮汐能发电机（飞轮）397

20.2.4 最大潮流控制398

20.2.5 逆变器电路结构399

20.3 混合系统（电路结构）400

20.4 改变电压频率50Hz—46Hz—50Hz400

20.5 实验结果401

20.6 讨论406

20.7 结论406

参考文献407

第21章 并网海上风电场的HVDC输电系统大功率电能传输408

21.1 引言408

21.2 系统综述410

21.3 系统各组成部分的建模与控制411

21.3.1 风力机411

21.3.2 直流风电场412

21.3.3 海上HVDC输电子站的全桥DC-DC变流器413

21.3.4 陆上HVDC输电子站417

21.4 仿真分析417

21.4.1 动态特性分析417

21.4.2 暂态特性分析421

21.5 结论422

附录423

参考文献423