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適讀人群 ：從事可再生能源發電和智能電網領域的研究人員以及電力專業高校師生
　　本書重點介紹瞭大規模可再生能源發電與現有電網並網的問題。本書所涉及的問題包括不同類型的可再生能源發電及其輸配電、存儲和保護。另外，還包括用於可再生能源發電機組無升壓變壓器直接並網的中壓變換器的發展、大規模可再生能源發電的並網準則和彈性分析、有功功率和頻率控製以及HVDC輸電。同時，還介紹瞭用於大規模可再生能源電力係統控製和集成的新興SMES技術。由於大規模分布式可再生能源電力係統的保護與單嚮潮流的現有保護係統不同，本書介紹瞭一種用於與智能電網現狀相關的可再生能源發電機組的新型保護技術。本書可作為從事可再生能源發電和智能電網領域的研究人員的參考用書。

內容簡介

　　本書重點介紹瞭大規模可再生能源發電與現有電網並網的問題。本書所涉及的問題包括不同類型的可再生能源發電及其輸配電、存儲和保護。另外，還包括用於可再生能源發電機組無升壓變壓器直接並網的中壓變換器的發展、大規模可再生能源發電的並網準則和彈性分析、有功功率和頻率控製以及HVDC（高壓直流）輸電。同時，還介紹瞭用於大規模可再生能源電力係統控製和集成的新興SMES（超導磁儲能）技術。由於大規模分布式可再生能源電力係統的保護與單嚮潮流的現有保護係統不同，本書還介紹瞭一種用於與智能電網現狀相關的可再生能源發電機組的新型保護技術。

目錄

原書前言
主編、編委會和審稿專傢
第1章可再生能源係統不確定性建模技術的分類研究1
1.1簡介1
1.2概率方法2
1.2.1濛特卡洛模擬法2
1.2.2點估計法3
1.2.3基於場景的決策 4
1.3風力發電和負荷的不確定性建模 5
1.3.1風力發電建模 5
1.3.2負荷的概率建模 6
1.3.3負荷的可能性建模 7
1.4仿真結果 8
1.4.1濛特卡洛模擬法 9
1.4.2點估計法 10
1.4.3基於場景的方法 10
1.4.4基於混閤的方法 13
1.5未來研究方嚮 14
1.6小結 15
緻謝 15
參考文獻 15
第2章風電總量的概率建模和統計特徵 17
2.1簡介 17
2.2風電總量的一般特徵 18
2.2.1風電總量的不確定性 18
2.2.2風電總量的波動性 20
2.3獨立風電場模型 20
2.3.1風速概率模型 21
2.3.2理想風機輸齣功率麯綫 22
2.3.3理想風電場模型 24
2.3.4非理想化風電場建模 26
2.4地理多樣性 27
2.4.1理論基礎 28
2.4.2不確定性和波動性推導 28
2.4.3瞬時風電的相關性 29
2.4.4風電變化的相關性 30
2.4.5影響相關性的其他因素 31
2.4.6風電依賴結構 31
2.4.7多變量模型與仿真 33
2.4.8實際問題 34
2.5風電總量模型 34
2.5.1瞬時風電總量模型 34
2.5.2β分布參數選擇 35
2.5.3風電總量變化模型 36
2.5.4拉普拉斯分布參數選擇 36
2.5.5變化周期的影響 38
2.6風電總量的統計特徵 39
2.6.1數據集描述 40
2.6.2不確定性的統計分析 40
2.6.3波動性的統計分析 41
2.6.4容量對不確定性和波動性的影響 42
2.7小結 43
參考文獻 43
第3章GaAs太陽電池轉換效率的改進 46
3.1簡介 46
3.1.1太陽能背景知識 46
3.2薄膜太陽電池的基本結構 48
3.3 AR塗層和SWG結構的背景知識 50
3.3.1AR塗層 50
3.3.2蛾眼工作原理 51
3.4納米光柵結構設計 54
3.5納米結構仿真的FDTD軟件 55
3.5.1FDTD仿真方法的基本原理 55
3.5.2FDTD方法的二維方程 55
3.5.3Lorentz-Drude模型 57
3.6仿真結果與分析 59
3.7不同納米光柵的最小光綫反射 62
3.8小結 63
緻謝 64
參考文獻 64
第4章新興SMES技術在能量存儲係統和智能電網中的應用 66
4.1簡介 66
4.2能量存儲技術 67
4.3SMES電路和控製技術 68
4.3.1工作原理 68
4.3.2控製與保護原理 71
4.3.3一種新型數字預測控製方法的原理與實現 73
4.4實驗驗證與特性分析 76
4.4.1實驗樣機設計 76
4.4.2實驗驗證與比較 77
4.5SMES裝置的發展現狀 83
4.6SMES應用拓撲和性能評估 85
4.6.1基本的VSC和CSC應用拓撲 85
4.6.2電力電網中的集成應用拓撲 87
4.6.3電力電網中SMES的應用 89
4.7SMES在智能電網中的應用前景 94
4.7.1SMES在現代電力係統中的應用案例 94
4.7.2未來智能電網中SMES的應用前景和分析 98
緻謝 103
參考文獻 103
第5章用於可再生能源發電機組與中壓智能微電網直接集成的無升壓變壓器
的多電平變換器108
5.1簡介 108
5.2多電平變換器拓撲 110
5.2.1中性點鉗位變換器 112
5.2.2快速充電電容變換器 114
5.2.3模塊化多電平級聯變換器 115
5.3多電平變換器拓撲的選擇 116
5.4變換器電平個數的選擇 119
5.5基於FPGA的開關控製器 121
5.6高頻鏈路MMC變換器 123
5.7小結 126
參考文獻 127
第6章大規模可再生能源發電的互連規則綜述 129
6.1簡介 129
6.2電網互連規則的必要性 131
6.2.1資源的可變性與不確定性 131
6.2.2發電廠位置 131
6.2.3發電技術及係統條件 131
6.3電網標準研究 131
6.4電網互連中的主要技術問題 132
6.4.1靜態規則 133
6.4.2電能質量 137
6.4.3擾動期間和擾動後的動態規則 139
6.5大規模光伏發電站的電網標準 143
6.6總結和未來趨勢 143
6.7小結 144
參考文獻 145
第7章大規模可再生能源富電網的彈性分析：基於網絡滲流的方法 147
7.1簡介 147
7.2係統模型 148
7.3滲流和網絡彈性 150
7.4連通性測度-度中心性 153
7.5獨立性測度-緊密中心性 154
7.6通信控製測度-介數中心性 156
7.7仿真結果 159
7.8小結 162
參考文獻 162
第8章未來電網的頻率控製和慣性響應方案 164
8.1簡介 164
8.2係統頻率響應 168
8.3風力發電的頻率響應 172
8.4風力發電頻率響應控製器 174
8.4.1風機級控製器 174
8.4.2調節器響應控製器 178
8.4.3風電場級控製器 183
8.4.4電力係統級控製器 184
8.5閤成或人工慣性 186
8.6高壓直流輸電係統提供頻率響應 188
8.7小結193
參考文獻193
第9章大規模可再生能源的有功功率和頻率控製 197
9.1簡介197
9.2有功功率控製的傳統方案 198
9.2.1主級有功功率/頻率控製 198
9.2.2輔助高級控製 199
9.2.3多機四區域電力係統示例 201
9.3適用情況 203
9.3.1市場環境下的功率/頻率控製 204
9.3.2可再生能源滲透的功率/頻率控製 207
9.3.3互連係統交流/直流輸電綫下的功率/頻率控製 214
9.4先進控製概念在有功功率控製中的應用 220
9.4.1應用於LFC係統的先進LQR控製器設計 220
9.4.2先進控製應用的一般示例 224
9.5小結 226
附錄 227
參考文獻 228
第10章相關性風電高滲透對電力係統可靠性的影響 230
10.1簡介 230
10.2基於非序貫MCS的可靠性評估 231
10.3相關時變元素 232
10.4時變變量錶徵模型 233
10.5實驗結果 235
10.5.1案例1：可變負荷和無風電場 237
10.5.2案例3: 約束輸電網絡 238
10.5.3案例4: 三風電場和可變負荷 240
10.6小結 240
參考文獻 241
第11章海上風電場的高壓直流輸電 243
11.1簡介 243
11.2海上風電麵臨的挑戰 244
11.3海上電網: 交流與直流拓撲 246
11.4海上風能能量變換係統的不同概念 248
11.5海上風能高壓直流輸電的綫路換相變換器 249
11.6海上風電高壓直流輸電的電壓源型變換器 251
11.7海上風電高壓直流輸電的新趨勢 252
11.7.1混閤拓撲 252
11.7.2模塊化多電平變換器 255
11.8電纜技術257
11.9小結 258
參考文獻 259
第12章風電場保護 262
12.1簡介 262
12.2傳統發電機組布局 263
12.3風電場布局 263
12.4風電場與傳統發電保護 263
12.5故障穿越標準、保護和協調控製 264
12.6案例研究 266
12.6.1所研究電網 266
12.7風電場並網動態故障研究 267
12.7.1模型階次對故障電流或電壓的影響 267
12.7.2時間步長對故障電流或電壓的影響 267
12.7.3短路電阻對故障電流或電壓的影響 268
12.7.4風力發電機組比較故障分析 269
12.8研究結果的意義 270
12.8.1類型1和類型2風力發電機組的保護性能 272
12.8.2類型3風力發電機組的保護性能 273
12.8.3類型4風力發電機組的保護性能 273
12.8.4風力發電機組的保護性能總結 274
12.9小結 274
附錄 275
參考文獻 277
第13章風電場和FACTS設備對距離繼電器性能的影響 278
13.1簡介 278
13.2距離繼電器建模 280
13.3基於變換器的係統對距離繼電器性能的影響 285
13.3.1風電場（DFIG方案） 285
13.3.2測試係統 286
13.3.3STATCOM288
13.3.4UPFC 291
13.3.5串聯補償 293
13.3.6非濾波頻率分量輸入信號在距離繼電器阻抗估計中的作用 295
13.4以Prony法為濾波技術的距離保護算法 300
13.4.1Prony法 300
13.5距離保護算法分析 302
13.5.1接觸誤差補償（風電場） 302
13.5.2接觸誤差補償(STATCOM) 303
13.5.3接觸誤差補償(UPFC) 303
13.5.4接觸誤差補償 (串聯補償) 303
13.5.5接觸誤差補償(實際故障事件) 304
13.6結果分析 306
13.7小結 306
參考文獻 307
第14章大規模海上風電場網狀VSC-HVDC輸電係統的保護方案 309
14.1簡介 309
14.2多端網狀直流風電場網絡 310
14.2.1多端網狀直流風電場拓撲 310
14.2.2保護測試研究的超級電網結構 311
14.3大規模網狀電力係統直流故障分析 313
14.3.1適閤直流故障分析的電纜建模 313
14.3.2直流母綫故障 315
14.4網狀直流係統保護方案 315
14.4.1大功率直流開關設備配置 316
14.4.2直流斷路器繼電器協調關係 318
14.4.3保護方案 319
14.4.4無中繼通信的保護選擇 321
14.5直流風電場保護仿真結果 323
14.5.1直流徑嚮電纜短路/接地故障條件 324
14.5.2直流迴路電纜短路/接地故障條件 326
14.5.3直流母綫短路/接地故障條件 326
14.5.4電纜模型比較 328
14.6小結 329
參考文獻 329
第15章新興無刷雙饋磁阻風力發電機組的控製 331
15.1簡介 331
15.2動態模型 333
15.3控製器設計 334
15.4控製原理 336
15.4.1矢量控製 336
15.4.2磁場定嚮控製 338
15.4.3BDFRG風機工作條件 338
15.4.4最優控製策略 339
15.4.5風機特性 339
15.5初步實驗結果 340
15.6小結 343
參考文獻 344
第16章間歇性風力發電的能源中心管理 346
16.1簡介 346
16.1.1問題提齣346
16.1.2相關工作迴顧 348
16.2風險管理 348
16.3問題描述 350
16.3.1能源中心建模 350
16.3.2火電機組約束 351
16.3.3風電、電價和需求等關鍵問題的不確定性建模 352
16.3.4決策變量 355
16.3.5目標函數 356
16.4仿真結果 356
16.4.1數據 356
16.4.2Pareto最優前沿測定 358
16.4.3最終解的選擇 359
16.5討論 366
16.6小結 366
附錄 366
附錄A場景縮減技術 366
附錄BPareto最優性 367
附錄C模糊滿意度方法 367
參考文獻 368
第17章基於IEC公共信息模型的智能電網交互性和知識錶示方法 370
17.1簡介 370
17.2智能電網的概念 371
17.3交互性理論 372
17.3.1工程係統的交互性 375
17.3.2交互性和麵嚮服務的體係結構 376
17.3.3交互性和CIM 377
17.4應用案例 377
17.5智能電網標準架構 378
17.6IEC CIM 380
17.6.1CIM作為電力域的本體 382
17.6.2CIM與其他標準的協調統一 382
17.7信息集成與知識錶示 383
17.8小結 384
參考文獻 385

前言/序言

　　21世紀的電網正經曆著一次世界範圍的重大變革，使得電網更智能、更清潔、更高效和更可靠。在不同的可再生能源中，風能和太陽能在大多數國傢已得到普及和廣泛應用。由於可再生能源的易變性，包括有功功率和無功功率、輸齣電壓和頻率等電力方麵，這對於當前大規模風電和太陽光伏（PV）並網發電的電力行業是一個重大的挑戰性問題。目前，在世界上已有超過69��68GW的光伏和250GW的風電裝機。全球已有200多個光伏發電廠，其中每個發電廠都能産生10MW以上的輸齣功率。在這些發電廠中，有34個位於西班牙，26個位於德國。光伏發電廠的數量還會繼續增加。在未來幾年內，將會新增250多個光伏發電廠。目前，風電的輸齣功率已超過7MW。例如，自從2011年以來，ENERCON公司已生産齣發電容量為7��5MW的風機E-126/7500。目前，正在研究包括10MW風力發電機組的Sway風機和Windtec解決方案，預計將在2015年推嚮市場。
　　本書旨在介紹涉及大規模可再生能源發電、輸配電、儲能和保護的相關技術和監管問題，以構成一個環境可持續發展的智能電網。本書的主要目的是介紹大規模可再生能源發電的相關問題，並錶明這種新興領域的技術在未來可持續發展的世界中所發揮的作用。本書重點強調瞭在能源發電、輸配電、能量存儲和保護方麵的技術、材料、係統和過程的最新進展。
　　本書關注於發電、輸配電、存儲和保護等不同問題。介紹瞭大規模可再生能源發電相關的關鍵問題，如不確定性建模技術、可再生能源的統計特性、能量轉換效率和緊湊輕便的發電係統。同時，還包含瞭可再生能源發電機組無升壓變壓器直接並網的中壓變換器、並網準則、大規模可再生能源發電的彈性分析、有功功率和頻率控製以及HVDC輸電。另外，還討論瞭控製和集成大規模可再生能源電力係統的新興SMES技術。由於大規模分布式可再生能源發電係統與現有的單嚮潮流保護係統相比，具有不同的保護問題，本書將為可再生能源發電機組提供新的保護技術。
　　在“可再生能源係統不確定性建模技術的分類研究”中討論瞭用於可再生能源係統研究的各種不確定性建模工具，並確定瞭其中一種適用於可再生能源的建模工具。在“風電總量的概率建模與統計特徵”中討論瞭大型電力係統中風電總量的概率模型及其統計特性。在“GaAs太陽電池轉換效率的改進”中提齣瞭一種GaAs太陽電池轉化效率的改進方法。在“新興SMES技術在能量存儲係統和智能電網中的應用”中介紹瞭SMES技術在能量存儲係統和未來智能電網中的應用。在“用於可再生能源發電機組與中壓智能微電網直接集成的無升壓變壓器的多電平變換器”中提供瞭分析中壓應用領域中開關和控製問題的不同多電平變換器拓撲。在“大規模可再生能源發電的互連規則綜述”中通過不同的輸電係統運營商和監管機構對大型可再生能源發電廠的電網互連規則進行瞭全麵研究。對於大規模可再生能源的未來電網，在“大規模可再生能源富電網的彈性分析：基於網絡滲流的方法”中給齣瞭基於復雜網絡的網絡彈性（滲流）分析。“未來電網頻率控製和慣性響應方案”和“大規模可再生能源的有功功率和頻率控製”的目的是介紹低慣性可再生電力網絡中係統頻率和有功功率控製的基本問題。
　　可再生能源集成的一個重要方麵是分析其對電力係統可靠性的影響，這在“相關性風電高滲透對電力係統可靠性的影響”中進行瞭討論。在“海上風電場的HVDC輸電”中對海上風電場並網的不同拓撲進行瞭綜述。在“風電場保護”中給齣瞭不同風力發電機組的保護方案、技術上的挑戰和睏難。並在“風電場和FACTS設備對距離繼電器性能的影響”中討論瞭其對距離繼電器的影響。接下來，在“大規模海上風電場網狀VSC-HVDC輸電係統的保護方案”中提齣瞭大規模海上風電場高壓直流（HVDC）輸電係統的保護方案。
　　無刷雙饋磁阻發電機（BDFRG）是一種在大規模並網風力發電機組中非常具有前景的技術，在“新興無刷雙饋磁阻風力發電機組的控製”中討論瞭其工作原理和控製策略。在“間歇性風力發電的能源中心管理”中介紹瞭一種針對間歇式風力發電的能源中心進行能量優化管理的方法。最後，“基於IEC公共信息模型的智能電網交互性和知識錶示方法”中討論瞭智能電網信息可交互性的理念和流程，以利用電力設施來建設和控製一個新興的智能電網，並闡述瞭公共信息模型如何符閤一個標準化的電力係統可交互性框架。

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