1、国际电气工程先进技术译丛风电系统电能质量和稳定性对策Wind Energy Systems：Solutions for Power Qualityand Stabilization （美）Mohd.Hasan Ali 著刘长浥 苏媛媛 查浩 许晓艳 译 刘长浥 校机 械 工 业 出 版 社本书介绍风能转换系统的基本概念，讨论并网和稳定性问题，阐明提高暂态稳定性以及尽可能降低风力发电系统的功率、频率和电压波动的方法。本书包括的内容有：风能和风能转换系统概述，电机和电力电子学基本概念，风电并网的挑战，电能质量问题的解决方法，改善电网故障期间的暂态稳定性，变速风力发电系统功率波动最小化方法。本书通俗
2、易懂，有助于研究人员和工程技术人员理解每种方法的相对有效性，为风力发电机选择适当的稳定性工具。Wind Energy Systems：Solutions for Power Quality and Stabilization，by Mohd.Hasan Ali.2012 by Taylor&Francis Group，LLC.Authorized translation from English language edition published by CRCPress，part of Taylor&Francis Group LLC.All Rights Reserved.本书原版由 Ta
3、ylor&Francis 出版集团旗下 CRC 出版公司出版，并经其授权翻译出版，版权所有，侵权必究。本书中文简体翻译版授权机械工业出版社独家出版并限在中国大陆地区销售，未经出版者书面许可，不得以任何方式复制或发行本书的任何部分。Copies of this book sold without a Taylor&Francis sticker on the coverare unauthorized and illegal.本书封面贴有 Taylor&Francis 公司防伪标签，无标签者不得销售。本书版权登记号：图字 01-2012-5199 号图书在版编目（CIP）数据风电系统电能质量和稳
4、定性对策/（美）阿里（Ali，M.H.）著；刘长浥等译.北京：机械工业出版社，2013.6（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Wind energy systems：solutions for power qualityand stabilizationISBN 978-7-111-42316-4.风.阿刘.风力发电系统-电力系统稳定-研究.TM315中国版本图书馆 CIP 数据核字（2013）第 087833 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：闾洪庆版式设计：张晓蓉 肖 琳封面设计：付承桂 责任编辑潘 蕊 责任校对马精明 责任印制2013 年
5、7 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm13.75 印张273 千字00013000 册标准书号：ISBN 978-7-111-42316-4定价：58.00元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务 教材网：http：/ 机工官网：http：/ 机工官博：http：/ 封面无防伪标均为盗版北京机工印刷厂印刷（三河市南杨庄国丰装订厂装订）乔 宇译者序风电资源丰富而且免费，取之不尽，又没有污染
6、，技术也相对成熟，它对能源和环境问题的贡献毋庸置疑。但必须注意的是风电还有它的另一方面：它的能量密度较低，获取成本较高；它固有的变化性（且不易预测）和随机性使它难以驾驭；它对电网的支撑能力差；而且对电网的电能质量也往往有不利影响。为降低风速随机变化引起的功率、频率和电压的波动，必须使用代价不菲的控制机制。此外，通常用作风力发电机的感应电机也有着与同步电机暂态稳定性类似的稳定性问题。总而言之，风能是免费的，但风能利用却不是无代价的，随着并网风电容量在发电构成中比重的加大，它对以常规发电方式为基础的电力系统会构成重大挑战，会产生很多我们不熟悉的新问题。风力发电的发展要求它不仅能提供电量（这是目前风
7、电在电力系统中起的主要作用），还要使它能（至少在一定程度上）解决自身产生的前述一系列问题，并且如常规发电厂一样对系统起支撑作用。本书讨论了提高风力发电稳定性和降低风力发电系统功率、频率和电压波动的各种措施，还对各种稳定工具做了比较，可以帮助研究人员和工程技术人员理解各种稳定方法的相对有效性，从而选择对风力发电稳定性最合适的工具。读者可以通过本书深入了解风电并网及其稳定性问题和风力发电系统的各种稳定方法，并在自己的研究工作中应用从本书得到的知识。本书分九章，各章主要内容在“前言”中有详细介绍；作者哈桑阿里（Mo-hd.Hasan Ali）现任美国田纳西州孟菲斯大学电力与计算机工程系助理教授，他的
8、情况请参见“作者简介”，此处均不再赘述。本书的适用读者是风力发电方面的研究人员、工程技术人员和决策人员，也可用作有关专业的大学生、研究生的学习参考资料。本书的译校人员全部是中国电力科学研究院新能源研究所的科研人员，具体分工为（按工作量排序）：刘长浥译辅文和第 1、8、9 章，并负责全书校对及统稿；苏媛媛译第 3、4 章；查浩译第 6、7 章；许晓艳译第 2、5 章。马硕参加了第 7 章的部分翻译工作。译者欢迎对本书译文缺点和错误的批评指正。本书的翻译、编辑和出版工作得到机械工业出版社电工电子分社编辑付承桂女士和她的同事们的大力支持和帮助，在此谨表深切谢意。译 者2013 年 3 月前言本书介绍
9、风能转换系统的基本概念，讨论并网和稳定性问题，阐明提高暂态稳定性以及尽可能降低风力发电系统的功率、频率和电压波动的方法。近来，利用风能发电在世界范围内都越来越受到关注。风能是免费的可再生能源，无论如今使用了多少，都不会影响它在将来的供给。风电又是清洁的无污染电力。它与常规发电厂的不同之处在于它不排放空气污染物和温室气体。风力发电机使用最多的是感应电机。然而，感应电机存在与同步电机暂态稳定问题类似的稳定问题。电网故障期间，风力发电机的转速会急剧上升，它的有功出力会大大下降，导致端电压下降甚至崩溃。通常，在这种事故条件下，风力发电机会关停。但近来人们的做法不是在电网故障期间关停风力发电机，而是通过
10、某种适当的控制使它保持联网。这清楚表明，电网故障期间，风力发电机必须保持稳定。另外，即使电网没有故障，由于风速的随机变化，风力发电机的输出功率、频率和端电压也是波动的。本书将讨论几种提高风力发电机系统暂态稳定性的措施，并说明使功率、频率和电压波动最小化的方法。本书结构如下：第 1 章是风能概述，介绍本书的背景、目的和内容。第 2 章介绍风能转换系统的基本概念和风力机建模。电机 尤其是感应电机和同步电机 是风能转换系统的关键。因此，第 3 章论述了电机的基本概念。对于变速风力发电系统，发电机端子通过电力电子接口接入电网。而且为了把储能系统整合到风力发电系统，也必须使用电力电子设备。因此，第 4
11、章简单地介绍了电力电子设备及其基本概念。第 5 章讨论了风力发电系统的类型。第 6 章讨论风力发电系统并网问题，特别说明了风速随机变化产生的暂态稳定问题、电能质量问题以及功率、频率和电压的波动。第 7 章分析风力发电系统的电能质量问题对策，尤其是利用储能系统在风速随机变化时尽量降低功率、频率和电压的波动。第 8 章介绍在电网故障期间提高风力发电系统暂态稳定性的各种方法。该章介绍了仿真结果，说明了提高稳定性方法的有效性；并比较了各种方法的性能、控制结构和成本。第 9 章介绍变速风力发电系统的故障穿越能力及其对功率波动的缓解作用，尤其是双馈感应发电系统、绕线励磁式同步发电系统和永磁同步发电系统。本
12、书旨在讨论提高风力发电机稳定性和降低风力发电系统功率、频率和电压波动的各种措施。书中还对各种稳定工具做了比较，可以帮助研究人员和工程技术人员理解各种稳定方法的相对有效性，从而选择对风力发电机稳定性最合适的工具。读者可以通过本书对风电并网及其稳定性问题和风力发电系统的各种稳定方法有深入了解，并在自己的研究工作中应用从本书得到的知识。我希望本书能引起读者的兴趣，并对从事风能系统研究的研究人员、工程师和学生大有帮助。作者诚挚欢迎对本书的建设性批评和评论。前 言致谢我愿在此对所有在我完成本书过程中提供了帮助的人表示诚挚的谢意。我必须感谢 CRC 出版社的员工，特别是 Nora Konopka，Kath
13、ryn Younce，Joselyn Banks-Kyle 和 Jennifer Ahringer，他们的指导对我撰写本书手稿有非常宝贵的价值。我还要感谢我的妻子 Shammi Akhter 和女儿 Aniqa Tahsin Ali，在我把过多时间用于撰写这本书时，她们充满耐心和理解，并给予持续支持。Mohd.Hasan Ali美国田纳西州孟菲斯市孟菲斯大学目录译者序前言致谢第 1 章 概述1 1.1 引言1 1.2 为什么要开发可再生能源1 1.3 风能2 1.4 风力发电的优缺点2 1.4.1 可再生的无污染资源2 1.4.2 成本问题2 1.4.3 环境关注3 1.4.4 供电和运输问题
14、3 1.5 风能的全球现状3 1.5.1 欧洲3 1.5.2 北美5 1.5.3 亚洲5 1.5.4 太平洋地区6 1.5.5 拉美6 1.5.6 非洲和中东7 1.6 本书的目的和范围9 参考文献10第 2 章 风能转换系统13 2.1 引言13 2.2 基本概念13 2.3 风电技术13 2.4 风力机系统的基础元件14 2.5 风力机类型16 2.5.1 按机轴方向分类16 2.5.2 风力机功率范围18 2.5.3 风力机安装位置18 2.6 风力机建模19 2.6.1 理想风力机的功率输出19 2.6.2 实际风力机的功率输出21 2.7 小结24 参考文献24第 3 章 电机和电力
15、系统28 3.1 引言28 3.2 直流电机28 3.3 交流电机29 3.3.1 同步电机29 3.3.2 异步电机36 3.3.3 同步磁阻电机39 3.3.4 变压器40 3.4 电力系统45 3.4.1 常规发电46 3.4.2 输电46 3.4.3 配电48 3.4.4 电力系统分析49 3.4.5 潮流研究49 3.4.6 标幺值系统和基值50 3.4.7 电力系统故障52 3.4.8 电力系统稳定性55 3.4.9 断路器60 3.4.10 电力系统控制64 3.5 电能质量66 3.6 小结67 参考文献67第 4 章 电力电子学72 4.1 引言72 4.2 功率器件72 4
16、.3 整流器73风电系统电能质量和稳定性对策 4.4 逆变器73 4.5 斩波器76 4.6 双向离子变频器79 4.7 脉宽调制策略80 4.8 PWM VSC82 4.9 电流源逆变器82 4.10 小结84 参考文献84第 5 章 风力发电机87 5.1 引言87 5.2 定速风能转换系统87 5.3 变速风能转换系统88 5.4 风力发电机90 5.4.1 同步发电机90 5.4.2 感应发电机90 5.5 风力发电机特性91 5.6 最大功率点跟踪系统93 5.7 风电机组总效率计算95 5.7.1 计算方法概述95 5.7.2 解析公式96 5.7.3 计算方法99 5.7.4 仿真结果100 5.7.5 把暂态现象考虑在内的仿真结果102 5.7.6 使用概率密度函数计算效率104 5.8 小结105 参考文献106第 6 章 风电机组并网问题109 6.1 引言109 6.2 暂态稳定性和电能质量问题109 6.3 风电的变化性109 6.4 风速随机波动引起的功率、频率和电压波动110 6.5 联网要求110 6.5.1 孤岛现象与自动重合闸114目 录 6.5.2
