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第1章 概述 1

1.1风能和风能资源 1

1.1.1基本概念 1

1.1.2我国风能资源的分布 3

1.2风力发电的特点 4

1.3风力发电现状及其发展 5

1.3.1现状 5

1.3.2发展趋势 6

1.4风电转换系统及其技术路线 8

1.5含风电场的电力系统 9

参考文献 12

第2章 风力发电及其系统 13

2.1风力发电系统和风电场 13

2.1.1风力发电机系统概念 13

2.1.2风电场概念 14

2.1.3风力发电运行方式 15

2.2风力机 15

2.2.1风力机类型 15

2.2.2风力机结构 16

2.2.3风力机基本工作原理 18

2.2.4风力机气动特性 20

2.2.5风力机功率调节 22

2.3风力发电机 26

2.3.1恒速恒频笼型异步风力发电机系统 26

2.3.2变速恒频双馈异步风力发电机系统 28

2.3.3变速恒频直驱式同步发电机系统 30

2.3.4三类风力发电机系统比较 32

2.3.5其他类型风力发电机 34

2.3.6风力发电机技术参数 37

2.3.7风力发电机系统的一些发展趋势 38

2.4风电转换系统中的电力电子技术 39

2.4.1电力电子技术在风电转换系统中的应用 39

2.4.2电力电子变换器 40

2.4.3风力发电机系统中的变换器拓扑 43

参考文献 47

第3章 风力发电机组的并网运行 48

3.1风力发电机并网 48

3.1.1同步发电机并网 48

3.1.2笼型异步发电机并网 49

3.1.3直驱式永磁同步风力发电机并网 50

3.1.4双馈异步发电机并网 50

3.2风力发电机组的功率调节 53

3.2.1同步发电机的功率调节 53

3.2.2笼型异步发电机的功率调节 54

3.2.3直驱式永磁同步发电机的功率调节 55

3.2.4双馈异步发电机的功率调节 56

3.3风能转换系统及其基本控制方法 58

3.3.1风能转换系统 58

3.3.2风能转换系统的基本控制方法 59

3.4三种主流风电机的电压/无功控制特性 61

3.4.1三种主流风电机 61

3.4.2三种风电机的电压/无功控制能力 62

3.4.3影响电压控制的各种因素 63

3.4.4电压/无功控制能力计算分析 64

参考文献 68

第4章 风电场接入电力系统 69

4.1电力系统对风电场并网的要求 69

4.2风电接入配电网或输电网 70

4.3直接交流联网 72

4.3.1交流联网基本方案 72

4.3.2输电线路的传输功率、线路阻抗与电压分布 73

4.3.3风电场接入配电网分析 74

4.3.4风电场接入输电网分析 76

4.3.5分散与集中联网 77

4.4常规高压直流（PCC-HVDC）联网 78

4.4.1常规高压直流联网及其特点 78

4.4.2采用直流输电时风力发电机的选择 80

4.5轻型高压直流（HVDC Light， VSC-HVDC）联网 80

4.5.1 VSC-HVDC工作原理 80

4.5.2 VSC-HVDC与PCC-HVDC的比较 82

4.5.3轻型高压直流输电的应用 83

4.6风电接入系统方案比较 85

4.7特大型风电场接入电网 86

4.8风电场允许接入最大风电容量的确定 87

4.8.1风电场接入电力系统基本分析 87

4.8.2穿透功率极限与短路容量比 88

4.8.3影响风电场接入容量的主要因素 89

4.8.4实例计算分析 90

参考文献 95

第5章 风电场电气系统 97

5.1集电系统 97

5.1.1集电系统一般结构 97

5.1.2大型风电场的集电系统 99

5.1.3风力发电机变压器 99

5.1.4风电场的二次系统 100

5.2风电场的接地系统 101

5.3风电场的防雷保护 102

5.3.1雷击及其危害 102

5.3.2叶片防雷 104

5.3.3外部直击雷的保护设计 105

5.3.4内部防雷（过电压）保护 105

5.3.5防雷标准及接地电阻要求 105

5.4风电场电气保护 106

5.4.1风电场和发电机保护配置 107

5.4.2异步发电机的孤立运行和自励磁 109

5.4.3接口保护 110

5.5风电场的无功补偿 111

5.5.1 FSAG风电场的电压特性 111

5.5.2笼型异步风力发电机风电场的无功补偿 112

5.6风电场储能系统 115

5.6.1现代储能技术 116

5.6.2风电场储能系统的配置 117

参考文献 119

第6章 海上风电场 120

6.1海上风电场及其特点 120

6.2海上风电场的电气系统 121

6.2.1海上风电场的电压等级 122

6.2.2海上变电站 123

6.2.3海上风电场集电系统 124

6.2.4集电系统的冗余设计 126

6.3海上风电场输电系统 127

6.3.1交流输电系统 127

6.3.2基于PCC-HVDC（或LCC-HVDC）输电系统 130

6.3.3基于VSC-HVDC输电方式 130

6.3.4基于PCC-HVDC和VSC-HVDC的并联输电方式 131

6.3.5多端直流的应用 132

6.3.6其他输电方式 137

6.3.7海上风电场连接到弱交流电网 140

6.4一种新型海上风能转换系统 145

6.5海上风电场电气系统优化设计 148

6.5.1电气系统的技术经济分析基础 148

6.5.2电气系统的经济分析 150

6.5.3变压器平台位置和电缆容量优化 151

6.5.4输电系统优化 153

6.5.5集电系统优化 158

6.6典型海上风电场实例 161

6.6.1海上风电场的发展 161

6.6.2几个海上风电场简介 163

6.6.3中国发展海上风电场前景 166

参考文献 168

第7章 含风电的电力系统分析 170

7.1概述 170

7.2风电发电系统的数学模型 171

7.2.1风速模型 171

7.2.2风力机系统模型 172

7.2.3笼型异步发电机模型 176

7.2.4双馈异步发电机模型 178

7.2.5直驱式永磁同步发电机模型 180

7.2.6风电场等效模型 181

7.2.7风电机组动态等效算法 188

7.2.8标幺值系统 192

7.3含风电电力系统潮流分析 193

7.3.1概述 193

7.3.2含有笼型异步发电机的电力系统潮流计算 193

7.3.3含有双馈异步发电机的电力系统潮流计算 197

7.3.4含有直驱式同步发电机的电力系统潮流计算 201

7.3.5含风电电力系统的概率潮流计算 202

7.4含风电电力系统的故障（短路）计算 204

7.4.1概述 204

7.4.2短路容量 206

7.4.3风力机发电机的故障响应特性 206

7.5含风电电力系统电压稳定分析 213

7.5.1概述 213

7.5.2风电对电力系统电压稳定性的影响分析 214

7.5.3一种评估电压稳定性的方法 216

7.5.4含风电场系统概率电压稳定裕度 219

7.5.5增强风电对电力系统电压稳定性的支持 223

7.6含风电电力系统暂态稳定分析 224

7.6.1暂态稳定性简述 224

7.6.2风力发电机组的暂态特性及其对电网暂态稳定性的影响 226

7.6.3风电场对电力系统暂态稳定的影响 229

7.6.4暂态稳定分析中所需的动态模型 232

7.6.5增强风电对系统暂态稳定的支持 233

7.7含风电电力系统小干扰稳定分析 233

7.7.1概述 233

7.7.2小干扰稳定分析的风力发电系统模型 234

7.7.3不同类型风电机组的风电场对电力系统小干扰稳定的影响 246

7.8含风电电力系统频率稳定分析 249

7.8.1概述 249

7.8.2电力系统频率特性 250

7.8.3风电系统的频率特性 254

7.8.4风力机支持系统频率的控制 255

参考文献 261

第8章 风电场电能质量及其改善 268

8.1概述 268

8.2电能质量及其特点 271

8.3风电场与电网相关的电能质量问题 272

8.4频率质量与频率调整 273

8.5电压质量与电压调整 275

8.5.1电压值的偏差 275

8.5.2风电场的电压波动 276

8.6风电场的电压闪变 280

8.6.1概述 280

8.6.2闪变的起源 281

8.6.3风电场闪变的计算与评估 282

8.6.4风电场闪变的测量 286

8.7风电场的谐波和间谐波 289

8.7.1谐波 289

8.7.2间谐波 291

8.7.3风电场谐波测试 293

8.8改善风电场电能质量的措施 296

8.8.1风电场电压偏差的改善 296

8.8.2风电场闪变的抑制 297

8.8.3风电场谐波的抑制 298

参考文献 300

第9章 风电场风速和发电功率预测 301

9.1概述 301

9.2风电的易变性 302

9.2.1电力系统和风电的易变性 302

9.2.2风电输出功率易变性的特点 303

9.3风电预测模型和方法 307

9.3.1风电预测模型 307

9.3.2风电预测方法 310

9.3.3风电预测系统 311

9.4风速预测 313

9.4.1时间序列法预测风速 313

9.4.2时序神经网络法预测风速 317

9.4.3时间序列结合广义神经网络法预测风速 319

9.5风电场发电功率预测 321

9.5.1概述 321

9.5.2基于NWP的物理模型的风电功率预测 323

9.5.3基于统计方法的风电功率预测 324

9.6风电预测的准确性 329

9.6.1系统运行对风电预测准确性的需求 329

9.6.2风电预测质量的评价指标 329

9.6.3风电预测准确性的影响因素 331

9.6.4现有风电预测系统准确性水平 332

9.6.5改善风电预测准确性的途径 333

9.7风电功率预测的应用和挑战 335

9.7.1风电预测应用领域的拓展 335

9.7.2风电功率预测的挑战 336

参考文献 337

第10章 风电场控制和保护技术 340

10.1概述 340

10.1.1风力发电机和风电场的控制 340

10.1.2风力发电机组保护 343

10.1.3风电场电气系统的保护 346

10.2有功功率与频率控制 349

10.2.1频率控制 350

10.2.2风电场有功功率/频率控制系统 350

10.3无功功率和电压调节 351

10.3.1概述 351

10.3.2风电场无功功率/电压调节系统 352

10.3.3双馈风力发电机风电场的无功电压协调控制 353

10.4风电机组的故障穿越（FRT）或低/高电压穿越（L/HVRT） 356

10.4.1概述 356

10.4.2风电机组的低电压穿越 357

10.4.3风电机组的高电压穿越 365

10.5含风电电力系统的自动发电控制 371

10.5.1 AGC原理与作用 371

10.5.2计入风力发电的AGC 372

10.6风电场监督控制 373

10.6.1风电场监督控制系统 373

10.6.2具有外部储能的监督控制 375

10.6.3具有功率备用的监督控制 377

10.7风电场储能系统控制 380

10.7.1风电场储能系统的能量容量和变换器功率额定值 380

10.7.2 ESS抑制功率波动 381

10.7.3 ESS抑制风电场电压和频率波动 383

10.7.4储能系统控制策略 385

参考文献 387

第11章 含风电场的电力系统运行和调度 390

11.1概述 390

11.2风电场运行一般要求 392

11.2.1风电场对电力系统运行的影响 392

11.2.2从系统运行人员观点看具有风电的电力系统运行 393

11.2.3电力系统对风电场并网运行的要求 394

11.3电力平衡与系统备用 395

11.3.1电力电量平衡和系统备用 395

11.3.2风电对系统备用的影响 397

11.3.3确定风电增加的备用量的方法和计算 399

11.3.4风电增加备用的费用 405

11.4含风电电力系统的优化调度 406

11.4.1有大风电电力系统运行模式 406

11.4.2机组优化组合 409

11.4.3风—火优化调度 411

11.4.4风—水优化调度 416

11.4.5电力市场下包含风电的电力系统经济调度 422

11.5风力发电与电力市场 424

11.5.1风电对电力市场运行的影响 425

11.5.2风电参与的电力市场 427

11.5.3风电对电力市场电价的影响 428

11.5.4电力市场中风电的报价策略 434

11.6风电场成为常规电厂的主要技术 442

11.6.1概述 442

11.6.2风电预测技术 442

11.6.3风电机组/风电场控制技术 443

11.6.4风电机组的故障穿越技术 444

11.6.5加强电网结构 445

11.6.6储能技术与风电技术的结合 446

11.6.7增加电力系统中机组的多样性和灵活性 447

11.6.8改进电网的调度运行 448

11.6.9加强需求侧管理 449

参考文献 450

第12章 含风电电力系统评估技术 454

12.1含风电电力系统的可靠性评估 454

12.1.1概述 454

12.1.2可靠性评估模型 455

12.1.3多个风电场的可靠性评估 459

12.1.4影响系统充裕度的因素 461

12.2风力发电容量可信度 462

12.2.1概述 462

12.2.2风力发电容量可信度评估 464

12.2.3算例与分析 465

12.3风电的价值分析 467

12.3.1常规电厂的价值 468

12.3.2风电的价值 468

12.3.3风电降低网损值估计 470

12.3.4风电并网运行价值分析 471

12.4最大接入风电容量分析 475

12.4.1确定风电最大穿透率的方法 476

12.4.2基于功率平衡的最大接入风电容量计算 477

12.4.3基于频率约束的最大接入风电容量计算 478

12.4.4基于相关规划理论的最大接入风电容量计算 479

12.4.5提高系统风电穿透水平的措施 482

参考文献 484