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HPS 255
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 RCR 320
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 GSVSC 341
17.3.2 WFVSC 342
17.4 案例分析 344
17.4.1 选择1 344
17.4.2 选择2 346
17.4.3 选择3 347
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—50Hz 400
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