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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　Zephyr255

17.3.4　Previento255

17.3.5　eWind256

17.3.6　SIPREOLICO256

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