新能源发电与控制技术 第三版 [惠晶 主编] 2018年.pdf

“十三五”国家重点出版物出版规划项目卓越工程能力培养与工程教育专业认证系列规划教材（电气工程及其自动化、自动化专业）“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材新能源发电与控制技术第 3 版主 编 惠 晶 颜文旭副主编 许德智 樊启高参 编 朱一昕 石晨曦机 械 工 业 出 版 社本书为“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。本书第 1 版 新能源转换与控制技术 于 2008 年 2 月问世。于 2012年对本书进行修订时，考虑到能源转换涉及面极为广泛，而本书的重点是介绍新能源发电及其控制技术，故第 2 版更名为 新能源发电与控制技术。本书第 2 版出版至今，新能源的利用与开发取得了巨大成就，社会与经济价值在国际上获得广泛认可。为了反映最新研究成果、体现技术更新，本书在第 2 版的基础上再次修订与完善。本书共分为 8 章，主要内容包括：新能源发电与控制技术导论，电源变换和控制技术基础知识，风能、风力发电与控制技术，太阳能、光伏发电与控制技术，生物质能发电与控制技术，分布式电源与微电网组网技术，核能发电与应用技术，其他形式新能源的发电与应用技术。本书可作为电气工程及其自动化、新能源科学与工程、自动化、能源动力等专业的本科生教材。对相关学科的研究生和从事新能源利用与发电的广大工程技术人员也是一本较为系统、完整的参考书。图书在版编目（CIP）数据新能源发电与控制技术/惠晶，颜文旭主编 3 版 北京：机械工业出版社，2018 8“十三五”国家重点出版物出版规划项目 卓越工程能力培养与工程教育专业认证系列规划教材 电气工程及其自动化、自动化专业“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材ISBN 9787111600763 新 惠 颜 新能源 发电 高等学校 教材 TM61中国版本图书馆 CIP 数据核字（2018）第 116298 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：于苏华 责任编辑：于苏华 王雅新责任校对：肖 琳 封面设计：鞠 杨责任印制：北京玥实印刷有限公司印刷2018 年 7 月第 1 版第 1 次印刷184mm 260mm 21 印张 512 千字标准书号：ISBN 9787111600763定价：凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务网络服务服务咨询热线：01088379833读者购书热线：01088379649封面无防伪标均为盗版机 工 官 网：机 工 官 博： 炜49.00元序应对气候变化是 21 世纪人类面临的共同挑战，新能源是人类解决能源与环境问题的钥匙。当前我们正面临新能源技术革命和产业发展的大好时机，为了推动我国新能源技术和产业的发展，促进新能源技术的知识普及和相关人才的培养，近年来国内高校先后开设新能源技术有关课程，这是一个很好的开端。新能源技术是一个涉及电气、动力、机械、材料、控制、电子、计算机、信息与网络等多个学科的交叉高新技术。惠晶教授等人较早在江南大学进行新能源发电与控制技术课程的尝试，在总结教学经验的基础上，编写了 新能源发电与控制技术 一书。该书自 2008 年出版以来，得到了读者的好评，并被国内 50 多所学校采用。本次出版的是 新能源发电与控制技术 第 3 版，对原有内容做了进一步补充和完善。该书的特色是将新能源变换、电力电子技术和控制技术有机结合，从系统的角度加以阐述。以具有电气工程或自动化方面的基础知识的读者为对象，介绍了新能源的形式、新能源发电及其控制技术，包括风力发电、光伏发电、水能发电、生物质发电、核能发电以及分布式电源与微电网等知识。书中深入浅出地介绍了新能源的存在形式，新能源的获取方法，电能转换技术及其综合利用前景；还分析了各种新能源发电的主要制约因素，并对书中介绍的新能源发电与利用做了经济技术性评价。该书是一本系统了解新能源发电技术的基础入门书。感谢 新能源发电与控制技术（第 3 版）一书的全体作者付出的辛勤劳动，能够面向我国产业发展的需求，克服编写过程中由于涉及多学科交叉所遇到的困难，不断完善内容，为大家奉献一本很好的书籍。浙江大学前 言本书第1 版于2008 年2 月出版，书名是 新能源转换与控制技术，由于能源转换涉及面极其广泛，而本书内容主要涉及如何将一次能源转换成电能，即能电转换形式，重点介绍利用新能源的发电及其控制技术，因此，第 2 版更名为 新能源发电与控制技术。本书第 2 版出版至今，新能源的利用与开发已取得巨大成就，社会与经济价值在国际上获得广泛认可。为了反映最新研究成果、体现技术更新，本书在第 2 版的基础上再次修订与完善。本书修订与增补的主要依据是：随着科学技术的进步，环境保护意识的加强，世界各国对新能源的开发与利用已达到前所未有的高度；以风能、太阳能、生物质能为代表的可再生能源发电与运行成本均大幅度降低，社会和经济效益显著，本书各章中使用的技术、经济数据需要更新。近 5 年，物联网技术已渗透到生产与消费的各个领域，传统的发电输电用电系统开始受到更加灵活、可靠、多样性并举的智能电网、分布式发电与微电网的挑战，本书增加了“分布式电源与微电网组网技术”一章。尽管水能是可再生能源的重要表现形式，然而水力发电技术是相对传统和成熟的发电方式之一，水力及水轮机的控制相对简单，已有许多文献介绍，因此，本书将其压缩为一节，并入第 8 章“其他形式新能源的发电与应用技术”。作者在近 10 年选择本书前两版作为江南大学电气工程及其自动化本科专业的教材，切身体会到原书有些内容和结构还不够科学，对于相关新研究成果和新应用水平，需要与时俱进，力求能比较客观、全面地反映在本教材中；在第 2 版中引用的一些经济、技术数据已经过时，还发现个别错误需要勘正。基于上述四点，认为有必要对第 2 版的结构进行调整、对内容进行修订与补充。本书第 3 版传承了前两版的体系和特色，将新能源发电与控制技术有机地结合起来，重点介绍了以可再生能源为主的各类新能源的表现形式、主要利用方式及其发电原理、电源变换与控制技术。新能源发电作为一门涉及多学科的新兴技术，已日益受到国际社会的青睐。“21 世纪可再生能源政策网（REN21，Renewable Energy Policy Network for the 21st Century）”2017 年发布的可再生能源全球现状报告（GSR2017）称：2016 年全球可再生能源继续保持增长，年度总投资规模达 2416 亿美元。在 2004 2016 年的 12 年间，可再生能源投资增长了 4 4 倍，可再生能源的发电总量（不含大水电）自 2004 年起增长了 10 84 倍，达到 921GW（1GW=10 亿 W），约占全球总发电容量的7 9%，其中风电场占4 0%、生物质发电占2 0%、光伏发电占 1 5%、海洋与太阳能聚热发电等占 0 4%。可再生能源产业为全球提供了约 830 万个就业岗位（我国 364 3 万个）；2016 年，全球风电场装机容量达 487GW，增长 55GW，其中装机量与发电量最多的是我国，占全球总量的 25 1%；2016 年，全球光伏发电装机容量达 303GW，增加了 75GW，相当于每小时安装 31000 块光伏板。目前，全球已有约 120 个国家制定了促进使用可再生能源的国家目标。此外，在我国，随着 中华人民共和国可再生能源法 国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006 2020 年）等法规和纲领性文献的相继执行，对我国在新能源综合利用方面起到了巨大作用，使我国近 10 年持续保持着世界第一的增长率，新能源发电无论是装机容量还是发电量均处于世界领先地位。目前，国内外虽已有多种版本可再生能源利用的著作面世，但鉴于新能源利用涉及的能源种类繁多，应用规模和水平日新月异，主要技术不断成熟的特点，急需一本能够兼顾各类新能源发电与控制技术的综合性教材。随着高等教育课程体系改革的不断深入，在增加新技术课程、专业课时大幅度压缩的情况下，作者在长期的教学实践中也切身感到十分需要一本结构合理、选材科学、较为系统全面、综合性和专业性强的相关教材。这些因素也是继2012 年 9 月本书第 2 版问世以来，对本书再一次修订、增补的社会需求。为了保证教学的延续性，提高本书的合理性与科学性，第 3 版保留了第 1 版经教学实践检验过的多数内容，对原书结构和章节做了适当调整与增补。首先，按可再生能源开发利用的成熟度、重要性和发展前景，对第 3 章 第 8 章的内容按风力发电、光伏发电、生物质能发电、分布式电源与微电网、核能发电和其他新能源发电的顺序重新编排；其次，考虑到第2 版中第 5 章介绍的“水能、小水力发电与控制技术”虽然属于可再生能源利用及发电范畴，但技术成熟，与大型水电站的发电与控制重合度较高，因此删除原章节，将其并到第 8章“其他形式新能源的发电与应用技术”的第一节，重点突出“小水力及小水电发电机组”的特点；近几年随着 IT 技术的发展，智能电网快速发展，分布式电源与微电网是智能电网的重要组成与补充，因此，在第 6 章中增加了相关内容；因核能发电属于清洁能源利用的重要形式，核电装置在新能源利用中占据重要的地位，在本书的第 7 章保留了主要内容；适当增加了新技术与实用范例。修订后的第 3 版力求编排更加合理、内容更加科学。本书在总体结构和主要内容上仍与前 2 版基本一致，共分为 8 章。第 1 章新能源发电与控制技术导论，由于本章内容涉及大量国内外新能源发展状况的技术和经济数据，有较强的时效性，对本章的修编主要是：更新过期的技术与经济数据，使本章具有科学性和实效性；优化内容，删除 1 3 3 节（与后续内容重复）和“本章小结”。为方便非电气类学生和广大专业爱好者阅读本书，保留第 2 章电源变换和控制技术基础知识，重点介绍了不可控、半控和全控型三类电力电子器件及其驱动与保护电路，常用脉宽调制（PWM）控制技术，归纳介绍了 ACDC、DCDC、DCAC、ACAC 等四种典型变换电路，本章作为预备知识在教学中选用。第 3 章风能、风力发电与控制技术，重点介绍风的特性，风力发电机组及工作原理，风电机组的控制策略和并网技术，风电的经济技术性评价。第 4 章太阳能、光伏发电与控制技术，主要介绍太阳的辐射与太阳能利用，光伏发电原理、独立型与并网型的光伏发电系统，光伏发电系统的控制策略和光伏发电的发展前景与经济技术评价。第 5 章生物质能发电与控制技术，介绍生物质的形式及开发利用，生物质能的制取与发电技术，生物质能燃烧发电技术及燃料电池发电和生物质发电的经济技术评价。第 6 章分布式电源与微电网组网技术，重点介绍分布式能源的特征及其应用、分布式供电与储能技术、电能质量与控制技术、微电网与多单元混合组网技术、分布式能源的综合利用及经济技术评价。第 7 章介绍核能的形式及其利用、核反应原理与反应装置、核能发电技术与发电设备、核电站的运行监控系统和技术经济性评价。第 8 章其他形式的新能源载体简介，分别介绍水能与小水力发电技术、海洋能的利用与发电技术、地热能发电与应用技术等。为便于部分读者的学习，在开始两章介绍新能源发电与控制技术导论，电力电子技术基础知识，在后续各章首先简介相关新能源的表现形式、理化特性和利用方式，这些内容可以在课堂教学中根据不同对象取舍。本书对于先修了“电力电子技术”课程的电气工程及其 自动化、自动化等专业的本科生，建议 32 学时，对于能源动力、机械电子等其他专业学生可适当放宽学时至 40 学时。本书可作为高等院校电气工程及其自动化、自动化、能源动力等专业“新能源发电与控制技术”课程及相近课程的教材或参考书。同时，本书也可作为从事新能源发电、电力工程及运行维护的专业技术和管理人员获得所需专业知识的读本。本书由惠晶担任第一主编，编写第 1 章和第 2 章，并负责全书的校对与审核；颜文旭担任第二主编，编写第 3 章和第 5 章，并负责全书的统稿工作；许德智担任第一副主编，编写第 4 章；樊启高担任第二副主编，编写第 8 章；朱一昕编写第 6 章；石晨曦编写第 7 章。本书在编写过程中还得到方