新能源发电过程的动态建模、仿真和控制PDF电子书下载

第1章 发电基本原理介绍 1

1.1 流体力学 1

1.1.1 质量、动量和能量守恒 1

1.1.2 应力应变率和黏度的关系 3

1.1.3 理想气体和声波 4

1.1.4 参考状态 6

1.1.5 正则冲击波关系式 7

1.1.6 一维流动：Rayleigh流 8

1.1.7 一维流动：Fanno流 13

1.1.8 准一维流 15

1.1.9 倾斜冲击波 18

1.1.10 Prandtl-Meyer流 20

1.2 热力学 22

1.2.1 热力学第零定律 24

1.2.2 热力学第一定律 24

1.2.3 热力学第二和第三定律 24

1.2.4 在实际气体中做功所需的热量 25

1.2.5 自发过程和热力学势 25

1.2.6 可逆性、能量和循环 27

1.2.7 第二定律的应用 28

1.2.8 基本发电循环 29

1.2.9 热传递：传导、辐射、对流热传递 30

1.3 电化学：简介 33

1.3.1 燃料电池热力学 34

1.3.2 电极电化学 35

1.3.3 Gibbs势能变化 37

1.3.4 燃料电池效率 38

1.3.5 电极超电位 38

1.3.6 半电池电极示例 40

1.3.7 盐桥 40

1.3.8 电极和电池的类型 41

1.3.9 蓄电池和燃料电池示例 41

参考文献 44

第2章 能量转换原理 45

2.1 发电机和电动机的初步概念 45

2.1.1 简介 45

2.1.2 发电机和电动机的基本运行原理 45

2.2 电机：直流电动机 46

2.2.1 直流电动机的负荷 49

2.2.2 直流电动机的分类 49

2.3 交流电动机 50

2.3.1 同步电动机 50

2.3.2 同步电动机的分类 50

2.3.3 同步电动机的运转 50

2.3.4 同步电动机的负荷 52

2.3.5 感应电动机 54

2.3.6 交流伺服电动机 55

2.3.7 交流转速计 57

2.4 无刷直流电动机 57

2.5 步进式直流电动机 59

2.6 高性能电动制动器的设计与开发 60

2.7 驱动直流电动机：直流电动机的速度控制 60

2.7.1 控制直流电动机：位置控制伺服 60

2.8 驱动和控制交流电动机 66

2.9 电动伺服制动器的稳定性 68

2.9.1 劳斯表法 71

2.10 发电机 71

2.10.1 同步交流发电机 72

2.10.2 同步交流发电机的动态建模 72

2.10.3 感应交流发电机 75

2.11 电力系统 77

2.11.1 电力系统稳定性 77

2.11.2 输电线路 79

2.11.3 变压器 82

2.11.4 功率因数提升 83

参考文献 84

第3章 同步和感应发电机的建模 85

3.1 建模的通用原理：Park变换和应用 85

3.2 励磁同步发电机 89

3.3 等效电路模型 90

3.4 具有磁场定向的永磁同步发电机的机电模型 90

3.5 励磁同步发电机的应用 93

3.5.1 典型励磁器的建模 95

3.5.2 模型参数的计算 96

3.6 同步发电机的性能特性 97

3.7 感应发电机的动态建模 98

3.7.1 等效电路建模 99

3.7.2 感应发电机模型的参数计算 100

3.7.3 感应发电机特性以及参数的实验测定 101

3.8 DFIG：实例分析 101

3.8.1 稳态机电模型 104

3.8.2 非线性扰动动力学 105

参考文献 107

第4章 风力发电和控制 108

4.1 简介 108

4.2 风力机组件 108

4.3 风力机空气动力学：动量理论 108

4.3.1 致动器盘原理 109

4.3.2 贝兹极限 110

4.3.3 流旋转的影响 111

4.4 叶素动量理论 112

4.4.1 功率因数：BEM理论表达式 114

4.5 叶片的气动设计 115

4.6 叶片结构动力学 117

4.7 风轮空气弹性变形的动态建模 126

4.7.1 多叶片坐标系 128

4.7.2 多叶片坐标系里的运动方程 129

4.7.3 扭转模式的离心固化 130

4.7.4 基于叶素理论的空气动力力矩 131

4.7.5 流入动力学 133

4.7.6 驱动流入中心的力矩 133

4.7.7 风轮转矩系数：一般表达式 136

4.7.8 风轮转矩系数：在不断流入和有稳定根间距的刚性叶片的情况下 137

4.8 实际的功率因数和它依靠在叶片安装上的角度 138

4.9 最大功率点跟踪和防止过度风转矩 140

4.10 柔性风轮叶片上的准稳定气动负载 143

4.11 弹性风轮叶片的动力学和气动力弹性学 146

4.12 风场速度分布和谱 148

4.13 支撑结构 150

4.13.1 塔动力学和气动伺服弹性 150

4.13.2 海上和浮动支撑结构 151

4.13.3 水动力和水下冰荷载 152

4.13.4 浮体动力学及波流体动力学 156

4.13.5 浮子-风轮被动及主动解耦控制 158

参考文献 159

第5章 燃气轮机和压缩机的动态模型 163

5.1 燃气轮机：典型组成和动态模型 163

5.2 轴流压缩机系统：一维管道模型 168

5.2.1 激盘理论 168

5.3 Moore-Greitzer模型 168

5.3.1 压缩机喘振和旋转失速 169

5.3.2 Moore-Greitzer模型方程式的推导 172

5.3.3 Moore-Greitzer模型方程 174

5.3.4 稳定流分析 176

5.3.5 不稳定非线性扩展Moore-Greitzer模型 177

5.3.6 旋转失速振动应用 179

5.3.7 模型响应和不稳定性 180

5.3.8 节流阀调整的控制规则 184

5.3.9 旋转失速振动强度控制 184

5.3.10 控制均衡的稳定性 185

5.3.11 压缩旋转失速控制 188

5.4 燃烧 188

5.4.1 燃烧室 189

5.4.2 燃烧室空气声学 190

5.4.3 流量耦合热声不稳定：POGO、嗡鸣、功率振荡和啸叫 193

5.5 整体喷气发动机体积动力学建模 194

5.5.1 压缩机模型 196

5.5.2 燃烧室子系统模型 199

5.5.3 涡轮动力学模型 200

5.5.4 涡轮动力和转矩输出 203

5.5.5 一维可变面积导管：后燃器和喷嘴 203

5.5.6 线轴动力学模拟 205

5.5.7 典型模拟结果 205

5.6 FADEC 205

参考文献 206

第6章 燃料电池的建模与仿真 209

6.1 燃料电池系统 209

6.2 燃料电池的热力学和电化学 211

6.2.1 燃料电池的热力学 211

6.2.2 燃料电池的电化学反应和电催化作用 212

6.3 氢气的产生、存储与扩散 213

6.4 燃料电池堆的配置和燃料电池系统 214

6.5 面向控制的建模和动力学 215

6.6 PEMFC的降阶模型 216

6.6.1 PEMFC模型 218

6.6.2 膜湿度模型 219

6.6.3 燃料电池输出电极的极化 221

6.7 PEMFC的流基模型 223

6.7.1 PEMFC中的动态流建模 223

6.7.2 电池的输出方程 229

6.8 SOFC 231

6.9 SOFC的热电联产应用 237

6.10 燃料电池仿真 238

6.11 估计燃料电池的参数 239

6.12 燃料电池控制器的设计 241

参考文献 245

第7章 电池：建模和充电状态估计 250

7.1 简介 250

7.2 电池电化学 250

7.3 容量和荷电状态 251

7.3.1 Peukert方程 252

7.3.2 性能曲线 253

7.4 电池建模 253

7.5 SOC估计 259

7.6 系统和参数辨识 259

7.7 KF和EKF 261

7.7.1 UKF 263

7.7.2 自适应KF 265

7.7.3 基于自适应UKF的参数辨识 266

参考文献 267

第8章 非常规能源发电：太阳能发电、波浪能发电和潮汐能发电 269

8.1 简介 269

8.2 太阳电池：特性简介 270

8.2.1 类型和特点 271

8.2.2 光敏器件：操作原理 272

8.2.3 太阳电池输出功率模型 277

8.2.4 MPPT控制 280

8.3 波浪能发电 281

8.3.1 波浪能发电转换装置 283

8.3.2 浮体波电位 283

8.3.3 最佳动力输出条件 284

8.3.4 Wells涡轮机 285

8.4 潮汐能 286

参考文献 287