电力系统中的可再生能源

第1章 能源与电力 1

1.1 世界能源形势 1

1.1.1 历史 1

1.1.2 世界能源消耗 1

1.1.3 有限的能源 2

1.1.4 能源安全和使用的不均等性 2

1.2 能源使用的环境影响 3

1.2.1 存在的问题 3

1.2.2 科学研究 3

1.2.3 京都议定书 5

1.2.4 斯特恩报告 6

1.2.5 能源高效利用 7

1.2.6 电力行业 8

1.2.7 可能的解决方案及可持续发展 8

1.3 电力生产 9

1.3.1 能量形式的转化——转化效率的重要性 9

1.3.2 核电 9

1.3.3 碳捕集与封存 10

1.3.4 可再生能源 11

1.4 电力系统 13

1.4.1 电力系统结构 13

1.4.2 可再生能源集成到电力系统 14

1.4.3 分布式发电 14

1.4.4 可再生能源的渗透率 15

参考文献 15

第2章 常规能源和可再生能源发电的特点 17

2.1 引言 17

2.2 常规能源：煤、天然气和核能 17

2.3 水电 18

2.3.1 大型水电 19

2.3.2 小水电 19

2.4 风电 21

2.4.1 风电资源 21

2.4.2 风的波动性 22

2.4.3 风轮机 23

2.4.4 风电的波动性 26

2.5 太阳能光伏发电与太阳能热发电 27

2.5.1 太阳能资源 27

2.5.2 太阳能发电技术 28

2.5.3 太阳能光伏发电系统 29

2.5.4 太阳能热发电系统 30

2.6 潮汐发电 32

2.6.1 潮汐资源 32

2.6.2 潮汐强化 32

2.6.3 潮汐坝 33

2.6.4 运行策略 33

2.6.5 潮流发电 34

2.7 波力发电 36

2.7.1 波能资源 36

2.7.2 波力发电技术 36

2.7.3 波力发电的波动性 37

2.8 生物质发电 38

2.8.1 生物质资源 38

2.8.2 资源的可持续性 39

2.9 发电特点总结 39

2.10 多能互补 40

参考文献 41

第3章 功率平衡和频率控制 42

3.1 引言 42

3.2 电力负荷 43

3.2.1 需求负荷曲线 43

3.2.2 削峰效应 43

3.2.3 需求侧管理和负荷延迟性 44

3.3 电能控制 45

3.3.1 电能转换链 45

3.3.2 调速器 45

3.3.3 双机并列运行 46

3.3.4 多机系统 47

3.3.5 稳态条件下的功率-频率关系 48

3.4 大系统的动态频率控制 49

3.4.1 负荷平衡 49

3.4.2 负荷预测 50

3.4.3 频率极限 51

3.4.4 发电计划和备用容量 51

3.4.5 不同时间范围下的频率控制 52

3.4.6 功率平衡与系统可靠性 53

3.4.7 容量因数和容量信赖度 54

3.5 可再生能源发电对频率控制及供电可靠性的影响 55

3.5.1 简介 55

3.5.2 能源积聚 55

3.5.3 风能的利用价值 58

3.5.4 对功率平衡的影响 58

3.5.5 可靠性的影响 60

3.5.6 弃电/限电 60

3.5.7 渗透率增加引起的成本增加 61

3.5.8 不同的可再生能源的结合 61

3.5.9 电力系统之间的差异 62

3.5.10 不可调度电源的渗透限制 62

3.6 可再生能源频率响应装置 64

3.6.1 风力发电 64

3.6.2 生物燃料 65

3.6.3 水电 65

3.6.4 光伏发电 65

3.7 频率控制模型 66

3.7.1 背景 66

3.7.2 建模实例 67

3.8 储能 69

3.8.1 简介 69

3.8.2 储能装置 69

3.8.3 动态需求负荷控制 70

参考文献 71

第4章 发电与电力调节 73

4.1 可再生能源向电能形式的转换 73

4.2 同步发电机 74

4.2.1 结构和运行方式 74

4.2.2 旋转磁场 76

4.2.3 并网时同步发电机的运行 77

4.2.4 同步发电机的等效电路 78

4.2.5 电力传输方程 79

4.2.6 三相方程式 80

4.2.7 四象限运行 80

4.2.8 负荷角特性：稳定性 81

4.3 变压器 81

4.3.1 变压器基础 81

4.3.2 变压器等效电路 82

4.3.3 变压器的进一步细节 83

4.4 异步发电机 84

4.4.1 结构和属性 84

4.4.2 感应发电机的等效电路 85

4.4.3 感应发电机的效率 87

4.4.4 感应发电机的速度转矩特性 87

4.4.5 感应发电机无功功率 90

4.4.6 异步和同步发电机的比较 90

4.5 电力电子 91

4.5.1 简介 91

4.5.2 电力半导体器件 92

4.5.3 二极管桥整流器 93

4.5.4 谐波 94

4.5.5 晶闸管桥转换器 95

4.5.6 晶体管桥 96

4.5.7 转换器内部控制系统 100

4.5.8 直流-直流变换器 100

4.6 可再生能源中的应用 101

4.6.1 应用于光伏(pv)发电系统 101

4.6.2 风电中的应用 103

参考文献 110

第5章 电力系统分析 112

5.1 引言 112

5.2 输电系统 112

5.2.1 单相表示法 114

5.2.2 输电和配电系统 114

5.2.3 电网实例 115

5.3 电压控制 116

5.4 无耦合线路的潮流 117

5.4.1 架空线路和电缆的特性 117

5.4.2 单相等值电路 117

5.4.3 电压损耗计算 118

5.4.4 简化与结论 119

5.5 无功管理 120

5.6 潮流与电力系统仿真 122

5.6.1 潮流计算的功能 122

5.6.2 特例分析 123

5.6.3 网络数据 124

5.6.4 发电量/负荷数据 124

5.6.5 潮流计算过程 126

5.6.6 潮流计算结果 127

5.6.7 不平衡潮流 127

5.7 故障与保护 127

5.7.1 短路故障电流 128

5.7.2 对称三相短路电流 129

5.7.3 一般短路电流 129

5.7.4 短路容量 129

5.7.5 戴维南等效电路 130

5.8 电网动态仿真 130

5.9 可靠性分析 131

参考文献 131

第6章 电力系统中的可再生能源发电 133

6.1 分布式发电 133

6.1.1 简介 133

6.1.2 公共耦合点(pcc) 134

6.1.3 连接电压 134

6.2 电压影响 135

6.2.1 稳态电压升高 135

6.2.2 自动电压控制——变压器分接头 135

6.2.3 可再生能源发电的有功和无功功率 136

6.2.4 潮流实例 136

6.3 热稳定极限 139

6.3.1 架空输电线和电缆 139

6.3.2 变压器 139

6.4 嵌入式电源的一些问题 140

6.4.1 电压闪变、电压阶跃和电压跌落 140

6.4.2 谐波和畸变 140

6.4.3 相电压不平衡 141

6.4.4 电能质量 141

6.4.5 电网结构强化 141

6.4.6 网络损耗 142

6.4.7 故障等级升高 142

6.5 孤岛效应 143

6.5.1 简介 143

6.5.2 旋转发电机的解列保护 143

6.5.3 逆变器的解列保护 144

6.6 故障跨越 144

6.7 发电机和变换器特性 145

参考文献 146

第7章 电力系统经济学与电力市场 147

7.1 引言 147

7.2 发电成本 147

7.2.1 可再生能源和常规发电厂的资金投入和运营成本 147

7.2.2 发电总成本 148

7.3 电力系统的经济最优化 150

7.3.1 电力系统发电机的种类 150

7.3.2 最佳经济性调度 151

7.3.3 等增量成本调度 152

7.3.4 带若干机组和发电限额的最佳经济性调度 153

7.3.5 公平竞争环境下的成本 153

7.4 外部成本 154

7.4.1 简介 154

7.4.2 外部成本的类型 154

7.4.3 京都议定书 155

7.4.4 污染成本 156

7.4.5 污染定价 157

7.5 分布式发电的影响 158

7.5.1 不同电网节点的能源价值 158

7.5.2 现金流分析 159

7.5.3 分布式发电的价值——区域性和局部性问题 160

7.5.4 发电容量可信度 161

7.5.5 小结 162

7.6 可再生能源的支持机制 162

7.6.1 简介 162

7.6.2 法律法规 163

7.6.3 配额体制 163

7.6.4 碳税 164

7.7 电力贸易 164

7.7.1 简介 164

7.7.2 英国电力供应产业(esi) 165

7.7.3 其他国家和地区的竞争性批发市场 169

7.7.4 可再生能源在竞争性批发市场中的价值 171

参考文献 174

第8章 可持续电力供应系统的未来 176

8.1 简介 176

8.2 风电的未来 177

8.2.1 大型风轮机 177

8.2.2 海上风电的发展 178

8.2.3 风电建筑一体化 181

8.3 太阳能的未来 182

8.3.1 太阳能光伏发电 183

8.3.2 太阳能热发电 183

8.4 生物质发电的未来 184

8.5 水电和海洋发电的未来 184

8.6 分布式发电及未来电网 185

8.6.1 配网的发展 185

8.6.2 主动电网 186

8.6.3 分布式发电的相关问题 186

8.6.4 解决技术难题的方法 187

8.7 结论 189

参考文献 189

附录A 电力工程的基本概念 191

A.1 介绍 191

A.2 发电机和电力用户 191

A.3 为什么选用交流电 192

A.4 交流电的波形 192

A.5 电路元件对交流电的响应 193

A.5.1 电阻 193

A.5.2 电感 194

A.5.3 电容 195

A.6 相量 196

A.7 相量求和运算 197

A.8 矩形表示法 198

A.9 电抗与阻抗 199

A.9.1 电阻 199

A.9.2 电感 199

A.9.3 电容 199

A.9.4 全阻抗 200

A.10 交流电路中的功率 201

A.11 无功功率 202

A.12 复功率 202

A.13 有功和无功功率守恒 204

A.14 无功潮流的影响——功率因数校正 204

A.15 三相交流电 205

A.16 戴维南等效电路 207

参考文献 208

《电力系统中的可再生能源》：国际先进工业技术译丛 《电力系统中的可再生能源》主要介绍了可再生能源发电及并网的基础知识，包括可再生能源的特点及其不稳定性对应用的影响，以及可再生能源在并网前必须进行的调控过程。可再生能源的经济性会影响其商业应用，书中对此也进行了论述。《电力系统中的可再生能源》还对可再生能源和电力系统未来的发展进行了展望。《电力系统中的可再生能源》的主要读者是可再生能源发电、输变电研究领域从业人员。《电力系统中的可再生能源》也可作为可再生能源发电领域高年级本科生和研究生的参考资料。【作者简介】作者：（英国）费里斯（Leon Freris） （英国）因菲尔德（David Infield） 译者：董长青 王孝强 刘永前 等