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