大规模可再生能源发电 发电、输电和存储先进技术

本书重点介绍了大规模可再生能源发电与现有电网并网的问题。本书所涉及的问题包括不同类型的可再生能源发电及其输配电、存储和保护。另外，还包括用于可再生能源发电机组无升压变压器直接并网的中压变换器的发展、大规模可再生能源发电的并网准则和弹性分析、有功功率和频率控制以及HVDC输电。同时，还介绍了用于大规模可再生能源电力系统控制和集成的新兴SMES技术。由于大规模分布式可再生能源电力系统的保护与单向潮流的现有保护系统不同，本书介绍了一种用于与智能电网现状相关的可再生能源发电机组的新型保护技术。本书可作为从事可再生能源发电和智能电网领域的研究人员的参考用书。 

本书重点介绍了大规模可再生能源发电与现有电网并网的问题。本书所涉及的问题包括不同类型的可再生能源发电及其输配电、存储和保护。另外，还包括用于可再生能源发电机组无升压变压器直接并网的中压变换器的发展、大规模可再生能源发电的并网准则和弹性分析、有功功率和频率控制以及HVDC（高压直流）输电。同时，还介绍了用于大规模可再生能源电力系统控制和集成的新兴SMES（超导磁储能）技术。由于大规模分布式可再生能源电力系统的保护与单向潮流的现有保护系统不同，本书还介绍了一种用于与智能电网现状相关的可再生能源发电机组的新型保护技术。

主编、编委会和审稿专家Jahangir Hossain,格里菲斯工程学院，格里菲斯大学，黄金海岸，昆士兰州，澳大利亚Apel Mahmud，电子与电气工程系，斯文本科技大学，维多利亚州，澳大利亚编委会Jianguo Zhu教授，悉尼科技大学，澳大利亚Hemanshu Roy Pota 助理教授，新南威尔士大学，澳大利亚Nadarajah Mithulananthan博士，昆士兰大学，澳大利亚Youguang Guo助理教授，悉尼科技大学，澳大利亚审稿专家Nigel Hargreaves, 布鲁内尔大学，英国Naruttam Kumar Roy, 新南威尔士大学，澳大利亚Francisco Gonzalez-Longatt, 拉夫堡大学，英国Tareq Aziz, Ahsanullah科技大学，孟加拉国Tahsin Fahima Orchi, 新南威尔士大学，澳大利亚Raymundo Enrique Torres Olguin, Sintef能源研究，特隆赫姆，挪威Md. Abdul Barik，新南威尔士大学，澳大利亚Ramesh Rayudu, 惠灵顿维多利亚大学，新西兰Ramesh Bansal, 比勒陀利亚大学，南非Md. Shihanur Rahman, 新南威尔士大学，澳大利亚Ahmed Fathi Abdou, 新南威尔士大学，澳大利亚Henry Louie, 西雅图大学，美国ABMNasiruzzaman，新南威尔士大学，澳大利亚Jayashri Ravishankar, 新南威尔士大学，澳大利亚Md. Masud Rana, 悉尼大学，澳大利亚Elyas Rakhshani, 帕尔马斯阿特拉斯园区，西班牙Sajeeb Saha， 墨尔本大学，澳大利亚Rajeev Chauhan, Mandi印度技术学院，印度Mithulan Nadarajah, 昆士兰大学，澳大利亚MdRakibuzzaman Shah, 昆士兰大学，澳大利亚Geev Mokryani, 帝国理工学院，伦敦，英国Abdun Naser Mahmood, 新南威尔士大学，澳大利亚Bharat Singh Rajpurohit，Mandi印度技术学院，印度MdRabiul Islam, 悉尼科技大学，澳大利亚BAzzopardi, 考纳斯科技大学，立陶宛Ayaz Chowdhury, 斯文本科技大学，澳大利亚Farhad Shahania, 科廷大学，澳大利亚GATaylor, 布鲁内尔大学，英国FMRabiul Islam，新南威尔士大学，澳大利亚Jin Yang, 阿斯顿大学，英国Hemanshu Roy Pota, 新南威尔士大学，澳大利亚Alireza Soroudi, 德黑兰大学，伊朗Adnan Anwar, 新南威尔士大学，澳大利亚Asheesh KSingh, 尼赫鲁国立理工学院，阿拉哈巴德，印度

原书前言主编、编委会和审稿专家第1章可再生能源系统不确定性建模技术的分类研究11.1简介11.2概率方法21.2.1蒙特卡洛模拟法21.2.2点估计法31.2.3基于场景的决策 41.3风力发电和负荷的不确定性建模 51.3.1风力发电建模 51.3.2负荷的概率建模 61.3.3负荷的可能性建模 71.4仿真结果 81.4.1蒙特卡洛模拟法 91.4.2点估计法 101.4.3基于场景的方法 101.4.4基于混合的方法 131.5未来研究方向 141.6小结 15致谢 15参考文献 15第2章风电总量的概率建模和统计特征 172.1简介 172.2风电总量的一般特征 182.2.1风电总量的不确定性 182.2.2风电总量的波动性 202.3独立风电场模型 202.3.1风速概率模型 212.3.2理想风机输出功率曲线 222.3.3理想风电场模型 242.3.4非理想化风电场建模 262.4地理多样性 272.4.1理论基础 282.4.2不确定性和波动性推导 282.4.3瞬时风电的相关性 292.4.4风电变化的相关性 302.4.5影响相关性的其他因素 312.4.6风电依赖结构 312.4.7多变量模型与仿真 332.4.8实际问题 342.5风电总量模型 342.5.1瞬时风电总量模型 342.5.2β分布参数选择 352.5.3风电总量变化模型 362.5.4拉普拉斯分布参数选择 362.5.5变化周期的影响 382.6风电总量的统计特征 392.6.1数据集描述 402.6.2不确定性的统计分析 402.6.3波动性的统计分析 412.6.4容量对不确定性和波动性的影响 422.7小结 43参考文献 43第3章GaAs太阳电池转换效率的改进 463.1简介 463.1.1太阳能背景知识 463.2薄膜太阳电池的基本结构 483.3 AR涂层和SWG结构的背景知识 503.3.1AR涂层 503.3.2蛾眼工作原理 513.4纳米光栅结构设计 543.5纳米结构仿真的FDTD软件 553.5.1FDTD仿真方法的基本原理 553.5.2FDTD方法的二维方程 553.5.3Lorentz-Drude模型 573.6仿真结果与分析 593.7不同纳米光栅的小光线反射 623.8小结 63致谢 64参考文献 64第4章新兴SMES技术在能量存储系统和智能电网中的应用 664.1简介 664.2能量存储技术 674.3SMES电路和控制技术 684.3.1工作原理 684.3.2控制与保护原理 714.3.3一种新型数字预测控制方法的原理与实现 734.4实验验证与特性分析 764.4.1实验样机设计 764.4.2实验验证与比较 774.5SMES装置的发展现状 834.6SMES应用拓扑和性能评估 854.6.1基本的VSC和CSC应用拓扑 854.6.2电力电网中的集成应用拓扑 874.6.3电力电网中SMES的应用 894.7SMES在智能电网中的应用前景 944.7.1SMES在现代电力系统中的应用案例 944.7.2未来智能电网中SMES的应用前景和分析 98致谢 103参考文献 103第5章用于可再生能源发电机组与中压智能微电网直接集成的无升压变压器的多电平变换器1085.1简介 1085.2多电平变换器拓扑 1105.2.1中性点钳位变换器 1125.2.2快速充电电容变换器 1145.2.3模块化多电平级联变换器 1155.3多电平变换器拓扑的选择 1165.4变换器电平个数的选择 1195.5基于FPGA的开关控制器 1215.6高频链路MMC变换器 1235.7小结 126参考文献 127第6章大规模可再生能源发电的互连规则综述 1296.1简介 1296.2电网互连规则的必要性 1316.2.1资源的可变性与不确定性 1316.2.2发电厂位置 1316.2.3发电技术及系统条件 1316.3电网标准研究 1316.4电网互连中的主要技术问题 1326.4.1静态规则 1336.4.2电能质量 1376.4.3扰动期间和扰动后的动态规则 1396.5大规模光伏发电站的电网标准 1436.6总结和未来趋势 1436.7小结 144参考文献 145第7章大规模可再生能源富电网的弹性分析：基于网络渗流的方法 1477.1简介 1477.2系统模型 1487.3渗流和网络弹性 1507.4连通性测度-度中心性 1537.5独立性测度-紧密中心性 1547.6通信控制测度-介数中心性 1567.7仿真结果 1597.8小结 162参考文献 162第8章未来电网的频率控制和惯性响应方案 1648.1简介 1648.2系统频率响应 1688.3风力发电的频率响应 1728.4风力发电频率响应控制器 1748.4.1风机级控制器 1748.4.2调节器响应控制器 1788.4.3风电场级控制器 1838.4.4电力系统级控制器 1848.5合成或人工惯性 1868.6高压直流输电系统提供频率响应 1888.7小结193参考文献193第9章大规模可再生能源的有功功率和频率控制 1979.1简介1979.2有功功率控制的传统方案 1989.2.1主级有功功率/频率控制 1989.2.2辅助高级控制 1999.2.3多机四区域电力系统示例 2019.3适用情况 2039.3.1市场环境下的功率/频率控制 2049.3.2可再生能源渗透的功率/频率控制 2079.3.3互连系统交流/直流输电线下的功率/频率控制 2149.4先进控制概念在有功功率控制中的应用 2209.4.1应用于LFC系统的先进LQR控制器设计 2209.4.2先进控制应用的一般示例 2249.5小结 226附录 227参考文献 228第10章相关性风电高渗透对电力系统可靠性的影响 23010.1简介 23010.2基于非序贯MCS的可靠性评估 23110.3相关时变元素 23210.4时变变量表征模型 23310.5实验结果 23510.5.1案例1：可变负荷和无风电场 23710.5.2案例3: 约束输电网络 23810.5.3案例4: 三风电场和可变负荷 24010.6小结 240参考文献 241第11章海上风电场的高压直流输电 24311.1简介 24311.2海上风电面临的挑战 24411.3海上电网: 交流与直流拓扑 24611.4海上风能能量变换系统的不同概念 24811.5海上风能高压直流输电的线路换相变换器 24911.6海上风电高压直流输电的电压源型变换器 25111.7海上风电高压直流输电的新趋势 25211.7.1混合拓扑 25211.7.2模块化多电平变换器 25511.8电缆技术25711.9小结 258参考文献 259第12章风电场保护 26212.1简介 26212.2传统发电机组布局 26312.3风电场布局 26312.4风电场与传统发电保护 26312.5故障穿越标准、保护和协调控制 26412.6案例研究 26612.6.1所研究电网 26612.7风电场并网动态故障研究 26712.7.1模型阶次对故障电流或电压的影响 26712.7.2时间步长对故障电流或电压的影响 26712.7.3短路电阻对故障电流或电压的影响 26812.7.4风力发电机组比较故障分析 26912.8研究结果的意义 27012.8.1类型1和类型2风力发电机组的保护性能 27212.8.2类型3风力发电机组的保护性能 27312.8.3类型4风力发电机组的保护性能 27312.8.4风力发电机组的保护性能总结 27412.9小结 274附录 275参考文献 277第13章风电场和FACTS设备对距离继电器性能的影响 27813.1简介 27813.2距离继电器建模 28013.3基于变换器的系统对距离继电器性能的影响 28513.3.1风电场（DFIG方案） 28513.3.2测试系统 28613.3.3STATCOM28813.3.4UPFC 29113.3.5串联补偿 29313.3.6非滤波频率分量输入信号在距离继电器阻抗估计中的作用 29513.4以Prony法为滤波技术的距离保护算法 30013.4.1Prony法 30013.5距离保护算法分析 30213.5.1接触误差补偿（风电场） 30213.5.2接触误差补偿(STATCOM) 30313.5.3接触误差补偿(UPFC) 30313.5.4接触误差补偿 (串联补偿) 30313.5.5接触误差补偿(实际故障事件) 30413.6结果分析 30613.7小结 306参考文献 307第14章大规模海上风电场网状VSC-HVDC输电系统的保护方案 30914.1简介 30914.2多端网状直流风电场网络 31014.2.1多端网状直流风电场拓扑 31014.2.2保护测试研究的超级电网结构 31114.3大规模网状电力系统直流故障分析 31314.3.1适合直流故障分析的电缆建模 31314.3.2直流母线故障 31514.4网状直流系统保护方案 31514.4.1大功率直流开关设备配置 31614.4.2直流断路器继电器协调关系 31814.4.3保护方案 31914.4.4无中继通信的保护选择 32114.5直流风电场保护仿真结果 32314.5.1直流径向电缆短路/接地故障条件 32414.5.2直流回路电缆短路/接地故障条件 32614.5.3直流母线短路/接地故障条件 32614.5.4电缆模型比较 32814.6小结 329参考文献 329第15章新兴无刷双馈磁阻风力发电机组的控制 33115.1简介 33115.2动态模型 33315.3控制器设计 33415.4控制原理 33615.4.1矢量控制 33615.4.2磁场定向控制 33815.4.3BDFRG风机工作条件 33815.4.4控制策略 33915.4.5风机特性 33915.5初步实验结果 34015.6小结 343参考文献 344第16章间歇性风力发电的能源中心管理 34616.1简介 34616.1.1问题提出34616.1.2相关工作回顾 34816.2风险管理 34816.3问题描述 35016.3.1能源中心建模 35016.3.2火电机组约束 35116.3.3风电、电价和需求等关键问题的不确定性建模 35216.3.4决策变量 35516.3.5目标函数 35616.4仿真结果 35616.4.1数据 35616.4.2Pareto前沿测定 35816.4.3终解的选择 35916.5讨论 36616.6小结 366附录 366附录A场景缩减技术 366附录BPareto性 367附录C模糊满意度方法 367参考文献 368第17章基于IEC公共信息模型的智能电网交互性和知识表示方法 37017.1简介 37017.2智能电网的概念 37117.3交互性理论 37217.3.1工程系统的交互性 37517.3.2交互性和面向服务的体系结构 37617.3.3交互性和CIM 37717.4应用案例 37717.5智能电网标准架构 37817.6IEC CIM 38017.6.1CIM作为电力域的本体 38217.6.2CIM与其他标准的协调统一 38217.7信息集成与知识表示 38317.8小结 384参考文献 385

21世纪的电网正经历着一次世界范围的重大变革，使得电网更智能、更清洁、更高效和更可靠。在不同的可再生能源中，风能和太阳能在大多数国家已得到普及和广泛应用。由于可再生能源的易变性，包括有功功率和无功功率、输出电压和频率等电力方面，这对于当前大规模风电和太阳光伏（PV）并网发电的电力行业是一个重大的挑战性问题。目前，在世界上已有超过6968GW的光伏和250GW的风电装机。全球已有200多个光伏发电厂，其中每个发电厂都能产生10MW以上的输出功率。在这些发电厂中，有34个位于西班牙，26个位于德国。光伏发电厂的数量还会继续增加。在未来几年内，将会新增250多个光伏发电厂。目前，风电的输出功率已超过7MW。例如，自从2011年以来，ENERCON公司已生产出发电容量为75MW的风机E-126/7500。目前，正在研究包括10MW风力发电机组的Sway风机和Windtec解决方案，预计将在2015年推向市场。本书旨在介绍涉及大规模可再生能源发电、输配电、储能和保护的相关技术和监管问题，以构成一个环境可持续发展的智能电网。本书的主要目的是介绍大规模可再生能源发电的相关问题，并表明这种新兴领域的技术在未来可持续发展的世界中所发挥的作用。本书重点强调了在能源发电、输配电、能量存储和保护方面的技术、材料、系统和过程的进展。本书关注于发电、输配电、存储和保护等不同问题。介绍了大规模可再生能源发电相关的关键问题，如不确定性建模技术、可再生能源的统计特性、能量转换效率和紧凑轻便的发电系统。同时，还包含了可再生能源发电机组无升压变压器直接并网的中压变换器、并网准则、大规模可再生能源发电的弹性分析、有功功率和频率控制以及HVDC输电。另外，还讨论了控制和集成大规模可再生能源电力系统的新兴SMES技术。由于大规模分布式可再生能源发电系统与现有的单向潮流保护系统相比，具有不同的保护问题，本书将为可再生能源发电机组提供新的保护技术。在“可再生能源系统不确定性建模技术的分类研究”中讨论了用于可再生能源系统研究的各种不确定性建模工具，并确定了其中一种适用于可再生能源的建模工具。在“风电总量的概率建模与统计特征”中讨论了大型电力系统中风电总量的概率模型及其统计特性。在“GaAs太阳电池转换效率的改进”中提出了一种GaAs太阳电池转化效率的改进方法。在“新兴SMES技术在能量存储系统和智能电网中的应用”中介绍了SMES技术在能量存储系统和未来智能电网中的应用。在“用于可再生能源发电机组与中压智能微电网直接集成的无升压变压器的多电平变换器”中提供了分析中压应用领域中开关和控制问题的不同多电平变换器拓扑。在“大规模可再生能源发电的互连规则综述”中通过不同的输电系统运营商和监管机构对大型可再生能源发电厂的电网互连规则进行了全面研究。对于大规模可再生能源的未来电网，在“大规模可再生能源富电网的弹性分析：基于网络渗流的方法”中给出了基于复杂网络的网络弹性（渗流）分析。“未来电网频率控制和惯性响应方案”和“大规模可再生能源的有功功率和频率控制”的目的是介绍低惯性可再生电力网络中系统频率和有功功率控制的基本问题。可再生能源集成的一个重要方面是分析其对电力系统可靠性的影响，这在“相关性风电高渗透对电力系统可靠性的影响”中进行了讨论。在“海上风电场的HVDC输电”中对海上风电场并网的不同拓扑进行了综述。在“风电场保护”中给出了不同风力发电机组的保护方案、技术上的挑战和困难。并在“风电场和FACTS设备对距离继电器性能的影响”中讨论了其对距离继电器的影响。接下来，在“大规模海上风电场网状VSC-HVDC输电系统的保护方案”中提出了大规模海上风电场高压直流（HVDC）输电系统的保护方案。无刷双馈磁阻发电机（BDFRG）是一种在大规模并网风力发电机组中非常具有前景的技术，在“新兴无刷双馈磁阻风力发电机组的控制”中讨论了其工作原理和控制策略。在“间歇性风力发电的能源中心管理”中介绍了一种针对间歇式风力发电的能源中心进行能量优化管理的方法。后，“基于IEC公共信息模型的智能电网交互性和知识表示方法”中讨论了智能电网信息可交互性的理念和流程，以利用电力设施来建设和控制一个新兴的智能电网，并阐述了公共信息模型如何符合一个标准化的电力系统可交互性框架。