国际电气工程先进技术译丛 风力发电系统优化控制.pdf

国际电气工程先进技术译丛风力发电系统优化控制O p t i m a lC o n t r o l o fW i n dE n e r g yS y s t e m s（罗马尼亚）I u l i a nM u n t e a n uA n t o n e t aI u l i a n aB r a t c u（丹麦）N i c o l a o s-A n t o n i oC u t u l u l i s 著（罗马尼亚）E m i lC e a n g 李建林 周京华 梁 亮 肖志东 胡春松 译机 械 工 业 出 版 社本书涵盖了风力发电系统所涉及的几个关键技术领域：风力资源、风电场微观选址、风力机类型、风能转换系统、风电场数学建模、风电机组控制系统、风电机组优化控制器、风能转换系统优化设计准则、变流器控制、变桨距控制系统以及风电系统实验设计等诸多方面。书中详细给出了风电系统控制部分的技术细节和具体实现方法，并通过仿真、实验双重手段，对不同控制策略下所得到的详实波形进行了对比分析，有一定的工程理论价值和工程借鉴、示范作用。本书适用于从事风力发电行业、电力电子与电力系统行业、风电控制系统、风电场运行与维护的工程师参考，亦可作为风电控制系统工具手册使用，尤其适合高等院校的本科生和研究生阅读。T r a n s l a t i o nf r o mt h eE n g l i s h l a n g u a g e e d i t i o n：“O p t i m a lC o n t r o l o fW i n dE n e r g yS y s t e m s”b yI.M u n t e a n u，A.I.B r a t c u，N.-A.C u t u l u l i s，E.C e a n g .C o p y r i g h t2 0 0 8S p r i n g e r，L o n d o n.a sap a r to fS p r i n g e rS c i e n c e+B u s i n e s sM e d i a.A l lR i g h t sR e s e r v e d.本书中文简体字版由S p r i n g e r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，翻版必究。本书版权登记号：图字0 1-2 0 0 9-3 8 1 7号图书在版编目（C I P）数据风力发电系统优化控制/（罗）蒙特安努（M u n t e a n u，I.）等著；李建林等译.北京：机械工业出版社，2 0 1 0.8（国际电气工程先进技术译丛）O p t i m a lC o n t r o l o fW i n dE n e r g yS y s t e m s I S B N9 7 8-7-1 1 1-3 1 0 2 5-9 .风 .蒙李 .风力发电机系统最优化.TM 3 1 5中国版本图书馆C I P数据核字（2 0 1 0）第1 1 5 4 1 7号 机械工业出版社（北京市百万庄大街2 2号 邮政编码1 0 0 0 3 7）策划编辑：付承桂 责任编辑：付承桂版式设计：霍永明 责任校对：樊钟英封面设计：马精明 责任印制：三河市宏达印刷有限公司印刷 2 0 1 0年9月第1版第1次印刷 1 6 9 mm2 3 9 mm1 5.5印张3 0 1千字 0 0 0 13000 册标准书号：I S B N9 7 8-7-1 1 1-3 1 0 2 5-9定价：68.00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：（0 1 0）8 8 3 6 1 0 6 6销 售 一 部：（0 1 0）6 8 3 2 6 2 9 4销 售 二 部：（0 1 0）8 8 3 7 9 6 4 9读者服务部：（0 1 0）6 8 9 9 3 8 2 1网络服务门户网：h t t p：ww w.c m p b o o k.c o m教材网：h t t p：ww w.c m p e d u.c o m封面无防伪标均为盗版乔 宇译 者 的 话由罗马尼 亚 著 名 学 者I u l i a n M u n t e a n u等 人 撰 写 的 O p t i m a lC o n t r o lo fW i n dE n e r g yS y s t e m s（风力发电系统优化控制）一书由S p r i n g e r出版社于2 0 0 8年1月出版。此书是S p r i n g e r出版社“A d v a n c e si nI n d u s t r i a lC o n t r o l”（工业控制优化）系列丛书中的一本。本书涵盖了风力发电所涉及的几个关键技术领域：风能、风能转换系统、风电场数学建模、风电机组控制系统、风电机组优化控制器、风能转换系统优化设计准则、变流器控制、变桨距控制系统以及风电系统实验设计等诸多方面。书中给出了风能优化控制系统的具体实现方法，并通过仿真、实验双重验证，提供了不同控制策略下所得到的详实波形，便于对比分析，加深读者印象。本书适合从事风力发电行业、电力电子与电力系统行业、风电控制系统、风电场运行与维护的工程师参考，尤其适合高等院校的本科生和研究生阅读。本书第1、2、6章由北方工业大学周京华副教授翻译；第3章由中国电力科学研究院梁亮翻译；第4章部分内容以及附录A由哈尔滨工业大学风电研究所肖志东翻译；第5章由浙江华仪电器集团胡春松助理研究员翻译；第7、8章和附录B、C以及部分第4章内容由中国电力科学研究院李建林副研究员翻译；全书最后由李建林统一校对、统稿。除以上所列译者外，我的学生中国科学院电工研究所的霍现旭、朱琼峰、张雷，北京科诺伟业科技有限公司的王宇龙、谷海涛、邵桂萍等，对本书做了校对和部分录入、翻译工作，在此一并感谢！另外，本书的翻译得到了国家自然科学基金项目（5 0 9 0 7 0 6 7）“直接驱动型风力发 电 系 统 低 电 压 穿 越 控 制 策 略 研 究”、北 京 市 电 气 工 程 优 秀 教 学 团 队（P HR 2 0 1 0 0 7 2 0 6）、北京市科技新星计划的资助，在此表示感谢。由于译者水平有限，书中难免存在错误和不妥之处，恳请广大读者批评指正。李建林2 0 1 0年1月1日于中国电力科学研究院译 者 简 介李李建建林林 1 9 7 6年生，博士，博士后，中国电力科学研究院副研究员，硕士生导师。中国可再生能源风能协会委员，全国风力机械标准化技术委员会委员，中国电气工程大典可再生能源发电工程编委，电工技术学会、动力工程学会新能源专委会委员，电网技术、电工技术学报、电力系统自动化、中国电机工程学报等期刊特约审稿人，I E E E会员。2 0 0 5年获浙江大学电力电子与电气传动专业博士学位，2 0 0 52 0 0 7年在中国科学院电工研究所从事博士后科研工作，研究方向为可再生能源发电技术、风力发电技术、电力电子技术、大规模储能技术。2 0 0 9年1 1月调入中国电力科学研究院工作，从事风光储方面的研究工作。主要承担了国家自然科学基金项目1项，全国博士后基金项目1项，中国科学院所长基金项目1项。近年来发表文章1 0 0余篇，其中6 0余篇被E I检索，发明专利1 0项。著有 风力发电中的电力电子变流技术、风力发电系统低电压运行技术，参与编写了 中国电气工程大典（可再生能源卷：风力发电技术）。周周京京华华 1 9 7 4年生，博士，北方工业大学副教授，硕士生导师。2 0 0 5年获西安交通大学电气工程专业博士学位。北京市中青年骨干教师，2 0 0 9年入选北京市科技新星计划，2 0 0 6年获中国有色金属工业协会颁发的中国有色金属工业科学技术奖（三等）一项。研究方向为多电平变换技术在大功率变频器、PWM整流器、有源电力滤波器及清洁能源中的应用。近年来，以第一作者发表论文3 4篇，其中中文核心期刊1 0篇，E I检索1 4篇，已申请发明专利1项，编著教材1部。科研方面，承担北京市教委面上项目1项，参与完成北京市自然科学基金项目1项，参与国家自然科学基金项目2项，承担企业委托项目5项。目 前，已 经 成 功 为 企 业 开 发 出1 1 4 0 V/4 0 0 kW三 电 平 大 功 率 变 频 器、3 8 0 V/4 0 0 kW能量回馈型电磁搅拌器、6 k V/6 0 0 kW多单元串联型能量回馈高压变频器，并已实现产品化，推向市场。原系列丛书编辑前言“工业控制优化”系列丛书旨在报道和促进控制工程中的技术发展。控制技术的快速发展对控制所有领域均产生了深远的影响。近年来，出现了一批新的控制理论、控制器、执行器、传感器、工业处理过程、计算方法，以及新的应用、新的控制原理等，同时也带来了新的挑战。大部分新技术新方法都是在行业报告、可行性研究报告和协作完成的工程报告中总结出来的。该系列丛书为广大技术研究人员提供了一个良好的平台，可以更全面、快捷地展示新型控制技术。风电在欧盟及全 世 界 都 发 展 很 快。欧 盟 各 国 的 目 标 是 到2 0 2 0年 风 电的市场份额占到1 2%，但是 正 如 本 系 列 丛 书 的 作 者 观 察 到 的：不 依 靠 自动控制这一必要途径，风能转化的参数和技术标准达到电力市场的要求是不可 能 的。为 了 证 实 这 一 点，I u l i a n Mu n t e a n u、A n t o n e t aI u l i a n aB r a t c u、N i c o l a o s-A n t o n i oC u t u l u l i s和Em i lC e a n g 对控 制工程技 术在各种 风 力 发 电系统控制中的 应 用 做 了 概 述。本 书 从 风 能 作 为 可 再 生 能 源 的 基 本 特 性 说起，以控制环概念和评估控制器的实验平台介绍作为结尾，形成了较为全面的权威著作。本书作者所做的研究经历了深入调查所必需的一般历程，针对繁杂、非线性的工业控制系统提供了系统的解决方案。本书前三章分别介绍了风能的形成过程、风力模型和风能特性。接下来的三章介绍了为满足不同程度的控制性能目标而进行的控制设计的演变过程。最后，得出了一种有效的控制策略，并以硬件在环的手段进行了性能测试。因此，风力发电系统优化控制一书中所阐述的各种优化控制策略的全面评估为风电控制做出了很大的贡献。本书很好地对“工业控制优化”系列丛书 中 的 另 一 本 风 力 机 控 制 系 统：原 理、建 模 及 增 益 调 度 设 计（W i n dT u r b i n eC o n t r o lS y s t e m s：P r i n c i p l e s，M o d e l l i n ga n dG a i nS c h e d u l i n gD e s i g n）进行了补充，后者的作者是F e r n a n d oB i a n c h i等，于2 0 0 6年7月 该书的中文译本于2 0 0 9年3月由机械工业出版社出版。风力发电系统优化控制出版。该丛书中的系列书目为风能转换系统控制的研究提供了一个完整的架构。M.J.G r i m b l eM.A.J o h n s o n英国，苏格兰格拉斯哥工业控制中心前 言可持续能源战略提倡以新能源逐步取代化石燃料能源，是一种优先发展的战略。在各种新能源中，风能目前在很多发达国家中都占有很重要的地位。随着国际合作研究的不断进行，各种成熟的风能转换技术可以逐步满足各个相关投资项目的快速发展。风电系统的主要问题是风能的随机性和间歇性（风速是随机的，具有很强的不稳定性，有时会出现湍流和极端的情况），以及电能质量的苛刻要求，例如无功功率要求、谐波要求和闪变要求等。因此，若没有自动控制，风能转换系统达到由电力市场和技术指标所要求的参数性能几乎是不可能的。风能的随机特性对机械结构的承受能力提出了很大的挑战。在考虑到全球经济效率的大前