风力发电系统PDF电子书下载

1　绪论 1

第1部分　理论背景和技术规范 5

2　风力发电发展史与现状 7

2.1 引言 7

2.2　历史背景 8

2.2.1　机械动力生产 8

2.2.2　电力生产 8

2.3　世界风力发电现状 10

2.3.1　并网风力发电概述 10

2.3.2　欧洲 10

2.3.3　北美洲 12

2.3.4　南美洲和中美洲 13

2.3.5　亚太地区 13

2.3.6　中东地区和非洲 14

2.3.7　独立发电系统概述 14

2.3.8　风力发电经济 14

2.3.9　环境问题 15

2.4　风力机技术现状 16

2.5　结论 18

致谢 18

参考文献 18

3　风力发电系统：概述 20

3.1 引言 20

3.2　电力系统历史 20

3.3　风力发电与电力系统现状 21

3.4　风力发电并网问题 22

3.5　电气工程基础 23

3.6　风力发电特性 24

3.6.1　风 25

3.6.2　物理特性 25

3.6.3　风力发电 26

3.7　风力发电并网的基本问题 29

3.7.1　用户的要求 29

3.7.2　风电场运营商的要求 30

3.7.3　并网问题 30

3.8　结论 33

附录：用来说明风力发电并网系统的等效机械系统 33

1．引言 34

2．有功平衡 34

3．无功平衡 35

参考文献 36

4　风力机中的发电机和电力电子设备 37

4.1 引言 37

4.2　技术发展动态 37

4.2.1　风力机技术概述 37

4.2.2　功率控制原理概述 38

4.2.3　发电机发展动态 38

4.2.4 电力电子设备发展动态 41

4.2.5　市场占有率发展动态 42

4.3　发电机类型发展动态 45

4.3.1　感应发电机 45

4.3.2　同步发电机 47

4.3.3　其他类型发电机 48

4.4　电力电子设备类型 50

4.4.1　软启动器 50

4.4.2 电容器组 50

4.4.3　整流器和逆变器 50

4.4.4　变频器 51

4.5　风电场的电力电子设备解决方案 52

4.6　结论 53

参考文献 53

5　风力机的电能质量标准 55

5.1 引言 55

5.2　风力机的电能质量特性 56

5.2.1　额定参数 56

5.2.2　最大允许功率 56

5.2.3　最大测量功率 56

5.2.4　无功功率 56

5.2.5　闪变系数 57

5.2.6　风力机投切操作最大次数 57

5.2.7　闪变阶跃因子 57

5.2.8　电压变动系数 58

5.2.9　谐波电流 58

5.2.10　不同风力机类型的电能质量特性总结 58

5.3　电压质量影响 59

5.3.1　一般情况 59

5.3.2　研究案例 59

5.3.3　缓慢电压波动 60

5.3.4　闪变 61

5.3.5　电压跌落 62

5.3.6　谐波电压 63

5.4　讨论 64

5.5　结论 64

参考文献 65

6　电能质量测量 67

6.1 引言 67

6.2　电能质量测量要求 67

6.2.1　标准 67

6.2.2　技术要求 68

6.2.3　未来形势 71

6.3　风力机和风电场的电能质量特性 72

6.3.1　峰值功率 72

6.3.2　无功功率 72

6.3.3　谐波 72

6.3.4　闪变 73

6.3.5　投切操作 74

6.4　并网评估 75

6.5　结论 76

参考文献 76

7　风电场并网技术规范 78

7.1 引言 78

7.2　技术规范概述 78

7.2.1 110kV以下的电网规范 79

7.2.2　110kV以上的电网规范 81

7.2.3　组合规范 81

7.3　并网规范的技术比较 82

7.3.1　有功功率控制 82

7.3.2　频率控制 82

7.3.3　电压控制 85

7.3.4　分接开关 86

7.3.5　风电场保护 88

7.3.6　建模信息和验证 90

7.3.7　通信和外部控制 91

7.3.8　并网规范的讨论 91

7.4　新并网规范的技术解决方案 92

7.4.1　绝对功率约束 92

7.4.2　平衡控制 92

7.4.3　功率比限制控制方法 92

7.4.4　△控制 93

7.5　并网实践 93

7.6　结论 94

参考文献 95

8 电力系统对风力发电的要求 98

8.1 引言 98

8.2　电力系统运行 98

8.2.1　系统可靠性 99

8.2.2　频率控制 100

8.2.3　电压管理 101

8.3　风力发电量和电力系统 101

8.3.1　风力发电模式 101

8.3.2　发电量变化和平滑效应 103

8.3.3　风力发电量的可预测性 105

8.4 风力发电对电力系统的影响 105

8.4.1　对备用的短期影响 107

8.4.2　其他短期影响 109

8.4.3　对容量充裕性的长期影响 110

8.4.4　未来电力系统中的风力发电 111

8.5　结论 112

参考文献 113

9　风力发电的价值 116

9.1 引言 116

9.2　发电厂的价值 116

9.2.1　运行成本价值 116

9.2.2　容量信用 116

9.2.3　控制价值 116

9.2.4　损耗降低价值 117

9.2.5 电网投资价值 117

9.3　风力发电的价值 117

9.3.1　风力发电的运行成本价值 117

9.3.2　风力发电的容量信用 117

9.3.3　风力发电的控制价值 119

9.3.4　风力发电的损耗降低价值 121

9.3.5　风力发电的电网投资价值 123

9.4　风力发电的市场价值 123

9.4.1　风力发电的市场运行成本价值 123

9.4.2　风力发电的市场容量信用 124

9.4.3　风力发电的市场控制价值 124

9.4.4　风力发电的市场损耗降低价值 128

9.4.5 风力发电的市场电网投资价值 129

9.5　结论 132

参考文献 133

第2部分　并网经验 135

10　丹麦风力发电系统 137

10.1 引言 137

10.2　运行问题 139

10.2.1　北欧电力市场模式 141

10.2.2　市场分类 142

10.2.3　技术规则与市场的相互作用 143

10.2.4　Eltra实现供需平衡的方法 144

10.2.5　通过北欧电力交易所进行平衡：第一步 145

10.2.6　预测的准确性 145

10.2.7　电网控制器和热备用 147

10.2.8　实时市场的平衡价格 147

10.2.9　市场价格随高风力发电量波动 148

10.2.10　其他运行问题 148

10.3　系统分析和建模问题 149

10.3.1 风力发电的前景 149

10.3.2　风的特性 150

10.3.3　风力发电预测模型 151

10.3.4 电网连接 152

10.3.5　接入大量风力发电的电力系统建模 153

10.3.6　风力发电和系统分析 154

10.3.7 遵照《京都议定书》减排CO2的案例研究 156

10.4　结论和经验 158

参考文献 158

11　德国风力发电现状及维持供电质量所面临的挑战 160

11.1 引言 160

11.2　德国风力发电现状 160

11.3 E.ON Netz系统的风力发电现状 161

11.4 电力系统控制要求 162

11.5　电网规划和联网要求 162

11.6 风力机及其动态性能要求 164

11.7　研究目标和约束 165

11.8　仿真结果 166

11.8.1 电压质量 166

11.8.2　频率稳定性 168

11.9　风力机的附加动态要求 172

11.10　结论 173

参考文献 173

12　风力发电对美国加利福尼亚州及中西部弱电网的影响 175

12.1 引言 175

12.2　早期弱电网：背景 177

12.2.1 蒂哈查皮的66kV输电线 177

12.2.2　无功功率 177

12.2.3　柔性交流输电系统设备 177

12.2.4 蒂哈查皮66kV电网中风力发电的发展 178

12.2.5　可靠的发电 179

12.2.6　提高利用率：固化间歇性风力发电 180

12.3 电压调节：风力发电占主导的电网中的无功支撑 180

12.3.1 自励感应电机的电压控制 181

12.3.2　控制无功以调节电压 181

12.3.3　风电场典型的PQ运行特性 181

12.3.4　无功支撑引起的局部电压变化 183

12.3.5　风电场中无功补偿地点 183

12.3.6 自校正的故障情况：无功不足 184

12.3.7　有效利用闲置风力机的容量，提供低压无功 185

12.3.8　谐波和谐振 186

12.3.9　孤岛运行、自校正和无功控制的响应速度 188

12.3.10 自校正的故障情况：无功不足 188

12.3.11 高速电网事件：在电网事件过程中，风力机保持与电网连接 189

12.3.12　先进的无功支撑技术在弱电网中的应用 190

12.3.13　对带有感应电机的弱电网进行潮流分析 191

12.4　蒂哈查皮的私有输电线 192

12.5　结论 193

参考文献 193

13　瑞典哥得兰岛风力发电系统 194

13.1 引言 194

13.1.1　历史沿革 194

13.1.2　当地电力系统概述 195

13.1.3　与大陆的电能交换 196

13.1.4　哥得兰岛南部的风力发电情况 196

13.2　基于电压源变流器的高压直流输电方案 196

13.2.1　技术选取 196

13.2.2　概述 197

13.2.3　可控性 197

13.2.4　无功支撑与控制 197

13.2.5　电压控制 197

13.2.6　保护系统 198

13.2.7　损耗 198

13.2.8　实际安装经验 199

13.2.9　特佳伯格工程 199

13.3 电网问题 200

13.3.1　闪变 200

13.3.2　暂态现象 200

13.3.3　带有电压控制设备的稳定性问题 201

13.3.4　验证 201

13.3.5　潮流 202

13.3.6　技术职责 203

13.3.7　展望 203

13.4　结论 203

建议阅读 204

参考文献 204

14　风力发电独立系统 205

14.1 引言 205

14.2　独立电力系统中的风能利用 205

14.2.1　系统原理和结构 206

14.2.2　风—柴发电站的基本考虑和约束 209

14.3　系统分类 212

14.4　系统及其经验 214

14.4.1　系统简介 214

14.4.2　混合电力系统经验 214

14.5　风力发电对电能质量的影响 216

14.5.1　配电网电压水平 216

14.5.2　系统稳定性和电能质量 217

14.5.3　功率和电压波动 217

14.5.4 电力系统运行 218

14.6　系统建模要求 219

14.6.1　要求和应用 220

14.6.2　独立系统的数字模型 221

14.7　应用问题 222

14.7.1　能源和经济成本 222

14.7.2　独立社区中的用户需求 223

14.7.3　标准、指南和项目开发方法 223

14.8　结论和建议 224

参考文献 225

15 印度弱电网中的风电场 228

15.1 引言 228

15.2 电网特点 230

15.2.1　传输容量 230

15.2.2　稳态电压与停电事故 231

15.2.3　频率 232

15.2.4　谐波及间谐波畸变 233

15.2.5　无功消耗 233

15.2.6　电压不平衡 233

15.3　风力机特性 233

15.4　风力机对电网的影响 234

15.4.1　稳态电压 234

15.4.2　无功消耗 234

15.4.3　谐波与间谐波的产生 236

15.5　电网对风力机的影响 236

15.5.1　发电性能 237

15.5.2　安全 238

15.5.3　结构寿命 238

15.5.4　对电气设备的影响 238

15.5.5　无功补偿 239

15.6　结论 239

参考文献 239

16 电能质量与风力发电的实际运行经验 241

16.1 引言 241

16.2 电压波动 241

16.3 闪变 242

16.3.1　连续运行 243

16.3.2　投切操作 244

16.4　谐波 246

16.5　瞬变 247

16.6　频率 248

16.7　总结 249

参考文献 250

17　德国和丹麦系统的风力发电预测技术 252

17.1 引言 252

17.2　风力发电预测工具的开发和使用现状 253

17.3　风力发电预测工具综述 253

17.3.1　Prediktor系统 253

17.3.2　风力发电预测工具 254

17.3.3　Zephyr 255

17.3.4　Previento 255

17.3.5　eWind 256

17.3.6　SIPREOLICO 256

17.3.7　高级风力发电预测工具 257

17.3.8 HONEYMOON工程 260

17.4　结论和展望 260

17.4.1　结论 260

17.4.2　展望 263

参考文献 263

18 电力系统中风力发电的经济性分析 265

18.1 引言 265

18.2 电网连接和升级成本 265

18.2.1　浅度连接成本 265

18.2.2　深度连接成本 268

18.2.3　折中连接成本 268

18.2.4 电网的技术限制 269

18.2.5　小结 269

18.3　解除管制的电力市场中系统的运行成本 270

18.3.1　一次调频问题 270

18.3.2　系统的运行成本问题 271

18.3.3　二次调频问题 272

18.3.4 电力市场的特性 273

18.4　例子：北欧电力交易所 274

18.4.1 北欧电力交易所电力交易 274

18.4.2 日前交易市场的价格 275

18.4.3 风力发电和电力交易 275

18.4.4　风力发电和平衡市场 278

18.5　结论 282

参考文献 282

第3部分　未来概念 283

19　风力发电与电压控制 285

19.1 引言 285

19.2　电压控制 286

19.2.1　电压控制的必要性 286

19.2.2　有功功率与无功功率 287

19.2.3　风力发电对电压控制的影响 287

19.3　风力机的电压控制能力 289

19.3.1　现有的风力机类型 289

19.3.2　风力机的电压控制能力 290

19.3.3　影响电压控制的因素 292

19.4　仿真结果 293

19.4.1　测试系统 293

19.4.2　稳态分析 293

19.4.3　动态分析 294

19.5 电压控制能力和变流器额定值 295

19.6　结论 297

参考文献 298

20　传输容量有限地区的风力发电 299

20.1 引言 299

20.2　输电限制 299

20.2.1　热极限 299

20.2.2　电压稳定极限 300

20.2.3　风力机的功率输出特性 302

20.2.4　暂态稳定性 302

20.2.5　小结 303

20.3　确定传输容量的方法 303

20.3.1　确定跨边界传输容量的方法 303

20.3.2　确定区域内传输容量的方法 304

20.3.3　小结 304

20.4　提高传输容量的措施 304

20.4.1 “软”措施 304

20.4.2　提高热极限的加强措施 305

20.4.3　改善电压稳定性的加强措施 306

20.4.4　将输电线由交流转换为直流以获得更高的传输容量 306

20.5　风力发电对传输容量的影响 306

20.6 为了风力发电并网而加强电网的可供选择的方法 307

20.6.1　用现有发电资源进行调节 308

20.6.2　风能溢出 308

20.6.3　小结 314

20.7　结论 314

参考文献 315

21　配电系统主动管理的效益 317

21.1 引言 317

21.2　主动管理 317

21.2.1　电压上升效应 318

21.2.2　主动管理控制策略 319

21.3　主动管理效益分析 320

21.3.1　简介 320

21.3.2　案例分析 320

21.4　结论 326

参考文献 327

22　近海风电场的输电系统 328

22.1 引言 328

22.2　一般的电气问题 329

22.2.1　近海变电站 330

22.2.2 冗余 331

22.3　通向海岸的输电系统 332

22.3.1 高压交流输电系统 333

22.3.2 基于电网换相变流器的高压直流输电系统 333

22.3.3　基于电压源变流器的高压直流输电系统 335

22.3.4 比较 336

22.4 近海风电场的系统方案 341

22.4.1　采用低频率 341

22.4.2　含交流发电机的风力机组的直流方案 342

22.4.3 含直流发电机的风力机组的直流方案 343

22.5　近海输电系统 343

22.6　可选的输电方案 343

22.7　结论 344

致谢 344

参考文献 344

23　传输和平衡风力发电量的方法之一：氢 348

23.1 引言 348

23.2　氢简介 348

23.3　技术和效率 349

23.3.1　氢的生产 349

23.3.2　氢的储存 350

23.3.3　氢的运输 351

23.4　再次转换为电能：燃料电池 352

23.5　氢与风能 353

23.6　过剩风能的利用 355

23.7　氢配电系统设计 356

23.8　结论 358

参考文献 358

第4部分　风力机的动态建模 361

24　风力机建模概述 363

24.1 引言 363

24.2　建模和仿真的基本问题 363

24.3　气动模型简介 364

24.3.1　风轮的基本特性 364

24.3.2　风轮的不同表示法 367

24.4　风力机的基本建模模块 369

24.4.1　气动系统 370

24.4.2　机械系统 370

24.4.3　发电机传动类型 370

24.4.4　桨距伺服 372

24.4.5　主控制系统 372

24.4.6　保护系统和继电器 373

24.5　机械系统的数据及其标幺值系统 373

24.6　不同类型的仿真和精度要求 376

24.6.1　仿真及其所需模型精度 376

24.6.2　不同类型仿真 377

24.7　结论 380

参考文献 381

25　风力机的降阶模型 383

25.1 引言 383

25.2　电力系统动态仿真 383

25.3 当前风力机类型 384

25.4　建模假设 385

25.5　恒速风力机模型 385

25.5.1　模型结构 385

25.5.2　风速模型 386

25.5.3　风轮模型 387

25.5.4　轴模型 389

25.5.5　发电机模型 389

25.6　含双馈感应发电机的风力机模型 391

25.6.1　模型结构 391

25.6.2　风轮模型 392

25.6.3　发电机模型 392

25.6.4　变流器模型 393

25.6.5　保护系统模型 394

25.6.6　风轮转速控制器模型 395

25.6.7　桨距角控制器模型 396

25.6.8　端电压控制器模型 396

25.7　直驱型风力机的模型 397

25.7.1　发电机模型 398

25.7.2 电压控制器模型 399

25.8　模型验证 399

25.8.1　测量和仿真的模型响应 399

25.8.2　实测值与仿真结果的比较 402

25.9　结论 403

参考文献 403

26　双馈感应发电机的高阶模型 405

26.1 引言 405

26.2　双馈感应发电机的优点 405

26.3　双馈感应发电机的组成 406

26.4　发电机方程 407

26.4.1 矢量方法 407

26.4.2　量的符号 408

26.4.3 电机的电压方程 409

26.4.4　电机的磁通方程 410

26.4.5　电机的机械方程 411

26.4.6　风轮的机械方程 412

26.5　电压源变流器 412

26.6　定序器 413

26.7　双馈感应发电机仿真 414

26.8　双馈感应发电机的降阶模型 415

26.9　结论 415

参考文献 416

27　风力机动态模型的全面验证 417

27.1 引言 417

27.1.1　背景 418

27.1.2　验证过程 418

27.2　部分验证 420

27.2.1　感应发电机模型 420

27.2.2　轴系统模型 422

27.2.3　风轮的气动模型 425

27.2.4　部分验证总结 427

27.3　全面验证 427

27.3.1　实验概述 429

27.3.2　测量特性 430

27.3.3　建模实例 431

27.3.4　模型验证 431

27.3.5　模型与实测值的差异 433

27.4　结论 433

参考文献 434

28　风力发电对电力系统动态特性的影响 436

28.1 引言 436

28.2　电力系统动态特性 436

28.3　实际的风力机类型 437

28.4　风力发电对暂态稳定性的影响 438

28.4.1　各类风力机的动态特性 438

28.4.2　风电场的动态特性 440

28.4.3　仿真结果 441

28.5　风力发电对小信号稳定性的影响 445

28.5.1　特征值——频域分析 445

28.5.2　风力发电对小信号稳定性的影响分析 446

28.5.3　仿真结果 446

28.5.4　初步结论 448

28.6　结论 449

参考文献 449

29　大型风电场的整体模型及其短期电压稳定性 451

29.1 引言 451

29.1.1　总体概述 452

29.1.2　应用领域 452

29.1.3　附加要求 453

29.2　大型风电场模型 453

29.2.1　无功功率条件 453

29.2.2　故障条件 454

29.3　恒速风力机 455

29.3.1　风力机参数 457

29.3.2　利用功率爬坡稳定电压 457

29.4　含可变转子电阻的风力机 459

29.5　含双馈感应发电机的变速风力机 459

29.5.1　变流器的关闭和重启 461

29.5.2　大型风电场的响应 462

29.6　含永磁发电机的变速风力机 463

29.7　单机等效模型 465

29.8　结论 466

参考文献 466

索引 469