国际电气工程先进技术译丛 风力发电系统.pdf

国际电气工程先进技术译丛风力发电系统（德）Manfred Stiebler 著 倪 玮 许 光 译机 械 工 业 出 版 社本书介绍了风能系统及其运行并网，重点在于电气工程方面。从风力作为一种主要的可再生能源开始，本书介绍了作为风力发电系统主要组成部分的风力机、发电机和其他电气设备的性能和特性，另外在系统控制、电网实施和电能质量方面也做了重点介绍，最后描述了风能的未来。本书可作为风电领域的电气及机械工程师的参考读物，也可为想了解风能的工科大学师生、设计人员和工程师提供帮助。Translation from the English language edition：Wind Energy Systems for Electric Power Generation by Manfred Stiebler，CopyrightSpringer-Verlag Berlin Heidelberg 2008.Springer-Verlag is a part ofSpringer Science+Business Media.ISBN 978-3-540-68762-7.All Rights Reserved.本书中文简体字版由德国 Springer 出版社授权机械工业出版社独家出版，未经出版者书面允许，本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。版权所有，侵权必究。本书版权登记号：图字 01-2009-2831 号图书在版编目（CIP）数据风力发电系统/（德）斯泰布勒（Stiebler，M.）著；倪玮，许光译.北京：机械工业出版社，2010.10（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Wind Energy Systems for Electric Power GenerationISBN 978-7-111-31911-5.风.斯倪许.风力发电.TM614中国版本图书馆 CIP 数据核字（2010）第 179746 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：顾 谦 责任编辑：顾 谦 版式设计：霍永明责任校对：申春香 封面设计：马精明 责任印制：中国农业出版社印刷厂印刷2011 年 1 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm10.75 印张205 千字00013000 册标准书号：ISBN 978-7-111-31911-5定价：49.00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读者服务部：（010）68993821网络服务 门户网：http：/ 教材网：http：/ 封面无防伪标均为盗版李 妍译者序随着人类能源消耗的增加和对气候变化的关注，可再生能源越来越受到人们的关注和重视，它成为了人类解决能源问题的另一重要途径。对于我国的国情来说，大力发展核能和可再生能源还有助于减轻对于进口化石燃料的依赖。风力发电和水力发电是可再生能源中历史最悠久、大规模运用最成熟的两种技术。近代风力发电技术始于 20 世纪 80 年代北欧国家的研究，后来逐渐推广到全世界。欧洲国家在风力发电领域的研发和应用上有先进的技术及丰富的经验，很多方面值得我们学习及借鉴。本书的作者 Manfred Stiebler 教授任职于著名的柏林工业大学，在电气工程领域有着很深的造诣。本书主要介绍了风力机配套使用的电气、电子设备及其基本工作原理，风力发电机和风电场的基本调度管理等。本书的读者为风电领域相关专业的师生和工程师及希望了解风能的广大读者，希望本书能为读者提供入门和综合性的介绍，对于欧洲风力发电中电气系统的新设计概念和新的零部件也有所涉及，但是对于某一具体技术并不过多探讨。由于译者水平有限，错漏之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。在此还要感谢机械工业出版社使本书中文版在我国出版！倪玮 于科隆许光 于北京2010 年 12 月前言在可再生能源中，风能已成为重要的电力来源。20 世纪 80 年代以来，风能无论是单机组的装机容量还是总装机容量都成指数增长。现在大多数的风力发电都建立在沿海地区的陆地上，近海风场风电形式将会在未来风电形式中起重要作用。直到 20 世纪，现代的风轮机理论才逐渐建立。目前主要使用三叶片水平轴风轮机、异步电机或同步电机，内插或没有齿轮箱。现代风力机主要设计为变转速工作，电力电子设备在风能转换中起重要作用。电力电子设备的制造业已发展成为高技术产业。在欧洲，丹麦、德国和西班牙是把风力发电馈入电网的 3 个主要国家，欧洲之外还有美国、印度因风电迅速增长而尤为突出。国家支持计划（如入网税和其他税收抵免）对风电市场和风电在能源消耗中所占比例影响重大。由于作者的个人背景，本书内容主要面向欧洲，而且很多实例取自德国。对于其他国家和地区，特别是北美和亚洲也有所考虑。本书是从电力工程师的角度编写而成的，可为工科大学生或其他想了解风能概况的工程师提供风能系统的基本知识。本书意图是向电气和机械工程师介绍风轮和电气组件的特性及性能。作者在此向同事 R.Gasch 教授和 J.Twele 教授表示诚挚的谢意，在柏林工业大学为期一年有关风能的合作中，我们进行了很多有意义的交流。同时，也向Springer 出版社在本书出版中所做的工作表示感谢。M.Stiebler德国，柏林目录译者序前言第 1 章 风能在可再生能源中的角色1 1.1 可再生能源及其应用1 1.1.1 可再生能源1 1.1.2 电能来源2 1.1.3 风能与太阳能2 1.2 风力发电在电能中的地位3 1.2.1 总装机容量3 1.2.2 技术标准和地域影响6 1.2.3 政府规定8第 2 章 风力机10 2.1 概述10 2.2 风能转换原理10 2.2.1 功率转换与功率系数10 2.2.2 力和转矩12 2.3 风情与利用15 2.3.1 风速的统计分布15 2.3.2 风能的统计分布16 2.3.3 风能功率与气动转矩的特性17 2.4 功率特性与能量输出19 2.4.1 控制系统与功率限制19 2.4.2 风级21 2.4.3 功率特性21 2.4.4 年均输出能量22 风力发电系统第 3 章 发电机26 3.1 概述26 3.2 异步电机26 3.2.1 工作原理26 3.2.2 特征方程和等效电路27 3.2.3 无功补偿36 3.2.4 自激运行37 3.3 同步电机40 3.3.1 工作原理40 3.3.2 特征方程和等效电路40 3.3.3 非常规电机类型44 3.4 电机比较48第 4 章 电气设备49 4.1 概述49 4.2 常规电气设备49 4.3 电力电子变流器49 4.3.1 简介49 4.3.2 外部换相逆变器51 4.3.3 自换相逆变器54 4.3.4 带中间电路的变流器59 4.3.5 直流直流斩波器59 4.3.6 交流电力控制器61 4.4 储能设备62 4.4.1 简介62 4.4.2 电化学储能63 4.4.3 电气储能66 4.4.4 机械储能67第 5 章 风力发电系统71 5.1 概述71 5.2 系统纵览71 5.2.1 简介71 5.2.2 并网风力发电系统72目 录 5.2.3 电气岛供应系统73 5.2.4 带电力传输的风泵系统74 5.3 并网风力发电系统74 5.3.1 简介74 5.3.2 直接并网异步发电机75 5.3.3 静态级联异步发电机76 5.3.4 同步发电机83 5.3.5 商业运行系统实例87 5.4 电气孤岛用风力发电系统90 5.4.1 联合发电系统90 5.4.2 孤立发电系统91第 6 章 性能和运行管理100 6.1 概述100 6.2 系统组件建模100 6.2.1 代表模型100 6.2.2 异步电机模型105 6.2.3 同步电机模型112 6.2.4 变换器建模117 6.2.5 传动系建模119 6.3 风力发电系统的控制122 6.3.1 简介122 6.3.2 并网风力发电系统控制123 6.4 运行管理基础127 6.4.1 简介127 6.4.2 运行状态127 6.4.3 电网故障应激128第 7 章 并网和电能质量129 7.1 电网连接基础129 7.1.1 简介129 7.1.2 并网的许用额定功率129 7.1.3 功率波动和电网应激131 7.2 标准要求133 7.2.1 相关安全设定133 风力发电系统 7.2.2 无功补偿133 7.2.3 防雷保护133 7.3 系统运行监管135 7.3.1 简介135 7.3.2 有功功率和频率135 7.3.3 无功功率和电压137 7.3.4 短路和不离网运行137 7.4 电能质量138 7.4.1 谐波138 7.4.2 电压偏差和闪变139 7.4.3 音频传输兼容性143 7.5 噪声发射144 7.5.1 简介144 7.5.2 WES 噪声发射145第 8 章 风能的未来148 8.1 近海风力发电148 8.1.1 简介148 8.1.2 底座148 8.1.3 并网149 8.1.4 具体问题152 8.2 电力一体化及前景152 8.2.1 混合发电中的风能152 8.2.2 跨国电网集成153 8.2.3 2020 年展望153附录155 附录 A 符号列表155 附录 B 中英文对照缩略语156参考文献158第 1 章风能在可再生能源中的角色1.1 可再生能源及其应用1.1.1 可再生能源众所周知，地球上的化石能源是有限的，并且世界石油、天然气和煤炭产量在未来可见的几十年之内将达到高峰，其价格也会不断攀升。与此同时，世界上许多国家和地区对于核能的广泛应用都有政治上的顾虑。在这样的背景下，可再生能源将成为满足人类日益增长的能源需求的重要组成部分。可再生能源对环境几乎不产生破坏，不产生任何废气排放。作为传统化石能源的代用能源，可再生能源的广泛使用能够有效地减少 CO2和 SO2的排放。因此在对抗气候变化的过程中，可再生能源无疑起到重要角色。可再生能源主要来自于太阳辐射，地球和月球的引力也有不少贡献。表 1-1列出了可再生能源的一次能源来源、能量媒介、转化原理以及技术利用手段。水能、风能、太阳能和生物质能对能源需求的贡献较为显著，可再生能源的最主要的应用形式是发电。表 1-1 可再生能源一次能源来源、能量媒介、转化原理以及技术利用手段一次能源来源能 量 媒 介转 化 原 理技术利用手段太阳水 蒸发、降水、融化 水电站风 大气流动 风力发电站 波浪运动 波浪发电站太阳能 海流 海流能发电站 加热地表和大气 热能发电设施、热泵 太阳辐射 太阳能集热发电、太阳能光伏发电生物质 生物质产生 热电厂地球同位素衰变 地热 热电厂月球引力 潮汐 潮汐发电站几十年前，人类就开始大规模地使用水力发电站，或者修建抽水蓄能设施来利用水力能源，但是大容量的风能利用设备则于 20 世纪 80 年代才开始兴建。随着技术的进步，风力发电设备的单机容量早已迈入了兆瓦级，大量的风力发电场也在兴建中，并且保持着极高的增长率。2 风力发电系统太阳能发电有直接和间接两种形式：直接法就是利用光伏电池把太阳能的光辐射能转变为电能；间接法则是集中太阳能去加热水，利用产生的蒸汽去发电。可再生能源的价格在一定程度上已经具有与传统化石能源一争高低的能力，但在大多数地区，可再生能源的应用还要依靠政策、法规的支持。从成本方面来讲，与太阳能光伏发电的高成本和高维护要求相比，风力发电的成本在很久以前就降低到有足够的竞争优势了。1.1.2 电能来源从图 1-1 中可以看出，在世界范围内煤炭、石油和天然气等化石能源仍然是主要的发电用能源（65%），核能（16%）和水能（17%）以几乎相同的份额紧随其后，占总量 2%的可再生能源主要包括风能、生物质能和太阳能。在图 1-1中，目前开发程度最高的可再生能源 水力发电被单独列出，所以可再生能源的比例才显得相对较少WEC04。图 1-1 世界净发电量（2004 年