本书重点介绍了大规模可再生能源发电与现有电网并网的问题。本书所涉及的问题包括不同类型的可再生能源发电及其输配电、存储和保护。另外，还包括用于可再生能源发电机组无升压变压器直接并网的中压变换器的发展、大规模可再生能源发电的并网准则和弹性分析、有功功率和频率控制以及HVDC（高压直流）输电。同时，还介绍了用于大规模可再生能源电力系统控制和集成的新兴SMES（超导磁储能）技术。由于大规模分布式可再生能源电力系统的保护与单向潮流的现有保护系统不同，本书还介绍了一种用于与智能电网现状相关的可再生能源发电机组的新型保护技术。
适读人群 ：从事可再生能源发电和智能电网领域的研究人员以及电力专业高校师生
本书重点介绍了大规模可再生能源发电与现有电网并网的问题。本书所涉及的问题包括不同类型的可再生能源发电及其输配电、存储和保护。另外，还包括用于可再生能源发电机组无升压变压器直接并网的中压变换器的发展、大规模可再生能源发电的并网准则和弹性分析、有功功率和频率控制以及HVDC输电。同时，还介绍了用于大规模可再生能源电力系统控制和集成的新兴SMES技术。由于大规模分布式可再生能源电力系统的保护与单向潮流的现有保护系统不同，本书介绍了一种用于与智能电网现状相关的可再生能源发电机组的新型保护技术。本书可作为从事可再生能源发电和智能电网领域的研究人员的参考用书。
21世纪的电网正经历着一次世界范围的重大变革，使得电网更智能、更清洁、更高效和更可靠。在不同的可再生能源中，风能和太阳能在大多数国家已得到普及和广泛应用。由于可再生能源的易变性，包括有功功率和无功功率、输出电压和频率等电力方面，这对于当前大规模风电和太阳光伏（PV）并网发电的电力行业是一个重大的挑战性问题。目前，在世界上已有超过6968GW的光伏和250GW的风电装机。全球已有200多个光伏发电厂，其中每个发电厂都能产生10MW以上的输出功率。在这些发电厂中，有34个位于西班牙，26个位于德国。光伏发电厂的数量还会继续增加。在未来几年内，将会新增250多个光伏发电厂。目前，风电的输出功率已超过7MW。例如，自从2011年以来，ENERCON公司已生产出发电容量为75MW的风机E-126/7500。目前，正在研究包括10MW风力发电机组的Sway风机和Windtec解决方案，预计将在2015年推向市场。
本书旨在介绍涉及大规模可再生能源发电、输配电、储能和保护的相关技术和监管问题，以构成一个环境可持续发展的智能电网。本书的主要目的是介绍大规模可再生能源发电的相关问题，并表明这种新兴领域的技术在未来可持续发展的世界中所发挥的作用。本书重点强调了在能源发电、输配电、能量存储和保护方面的技术、材料、系统和过程的最新进展。
本书关注于发电、输配电、存储和保护等不同问题。介绍了大规模可再生能源发电相关的关键问题，如不确定性建模技术、可再生能源的统计特性、能量转换效率和紧凑轻便的发电系统。同时，还包含了可再生能源发电机组无升压变压器直接并网的中压变换器、并网准则、大规模可再生能源发电的弹性分析、有功功率和频率控制以及HVDC输电。另外，还讨论了控制和集成大规模可再生能源电力系统的新兴SMES技术。由于大规模分布式可再生能源发电系统与现有的单向潮流保护系统相比，具有不同的保护问题，本书将为可再生能源发电机组提供新的保护技术。
在“可再生能源系统不确定性建模技术的分类研究”中讨论了用于可再生能源系统研究的各种不确定性建模工具，并确定了其中一种适用于可再生能源的建模工具。在“风电总量的概率建模与统计特征”中讨论了大型电力系统中风电总量的概率模型及其统计特性。在“GaAs太阳电池转换效率的改进”中提出了一种GaAs太阳电池转化效率的改进方法。在“新兴SMES技术在能量存储系统和智能电网中的应用”中介绍了SMES技术在能量存储系统和未来智能电网中的应用。在“用于可再生能源发电机组与中压智能微电网直接集成的无升压变压器的多电平变换器”中提供了分析中压应用领域中开关和控制问题的不同多电平变换器拓扑。在“大规模可再生能源发电的互连规则综述”中通过不同的输电系统运营商和监管机构对大型可再生能源发电厂的电网互连规则进行了全面研究。对于大规模可再生能源的未来电网，在“大规模可再生能源富电网的弹性分析：基于网络渗流的方法”中给出了基于复杂网络的网络弹性（渗流）分析。“未来电网频率控制和惯性响应方案”和“大规模可再生能源的有功功率和频率控制”的目的是介绍低惯性可再生电力网络中系统频率和有功功率控制的基本问题。
可再生能源集成的一个重要方面是分析其对电力系统可靠性的影响，这在“相关性风电高渗透对电力系统可靠性的影响”中进行了讨论。在“海上风电场的HVDC输电”中对海上风电场并网的不同拓扑进行了综述。在“风电场保护”中给出了不同风力发电机组的保护方案、技术上的挑战和困难。并在“风电场和FACTS设备对距离继电器性能的影响”中讨论了其对距离继电器的影响。接下来，在“大规模海上风电场网状VSC-HVDC输电系统的保护方案”中提出了大规模海上风电场高压直流（HVDC）输电系统的保护方案。
无刷双馈磁阻发电机（BDFRG）是一种在大规模并网风力发电机组中非常具有前景的技术，在“新兴无刷双馈磁阻风力发电机组的控制”中讨论了其工作原理和控制策略。在“间歇性风力发电的能源中心管理”中介绍了一种针对间歇式风力发电的能源中心进行能量优化管理的方法。最后，“基于IEC公共信息模型的智能电网交互性和知识表示方法”中讨论了智能电网信息可交互性的理念和流程，以利用电力设施来建设和控制一个新兴的智能电网，并阐述了公共信息模型如何符合一个标准化的电力系统可交互性框架。
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原书前言
主编、编委会和审稿专家
第1章可再生能源系统不确定性建模技术的分类研究1
1.1简介1
1.2概率方法2
1.2.1蒙特卡洛模拟法2
1.2.2点估计法3
1.2.3基于场景的决策 4
1.3风力发电和负荷的不确定性建模 5
1.3.1风力发电建模 5
1.3.2负荷的概率建模 6
1.3.3负荷的可能性建模 7
1.4仿真结果 8
1.4.1蒙特卡洛模拟法 9
1.4.2点估计法 10
1.4.3基于场景的方法 10
1.4.4基于混合的方法 13
1.5未来研究方向 14
1.6小结 15
致谢 15
参考文献 15
第2章风电总量的概率建模和统计特征 17
2.1简介 17
2.2风电总量的一般特征 18
2.2.1风电总量的不确定性 18
2.2.2风电总量的波动性 20
2.3独立风电场模型 20
2.3.1风速概率模型 21
2.3.2理想风机输出功率曲线 22
2.3.3理想风电场模型 24
2.3.4非理想化风电场建模 26
2.4地理多样性 27
2.4.1理论基础 28
2.4.2不确定性和波动性推导 28
2.4.3瞬时风电的相关性 29
2.4.4风电变化的相关性 30
2.4.5影响相关性的其他因素 31
2.4.6风电依赖结构 31
2.4.7多变量模型与仿真 33
2.4.8实际问题 34
2.5风电总量模型 34
2.5.1瞬时风电总量模型 34
2.5.2β分布参数选择 35
2.5.3风电总量变化模型 36
2.5.4拉普拉斯分布参数选择 36
2.5.5变化周期的影响 38
2.6风电总量的统计特征 39
2.6.1数据集描述 40
2.6.2不确定性的统计分析 40
2.6.3波动性的统计分析 41
2.6.4容量对不确定性和波动性的影响 42
2.7小结 43
参考文献 43
第3章GaAs太阳电池转换效率的改进 46
3.1简介 46
3.1.1太阳能背景知识 46
3.2薄膜太阳电池的基本结构 48
3.3 AR涂层和SWG结构的背景知识 50
3.3.1AR涂层 50
3.3.2蛾眼工作原理 51
3.4纳米光栅结构设计 54
3.5纳米结构仿真的FDTD软件 55
3.5.1FDTD仿真方法的基本原理 55
3.5.2FDTD方法的二维方程 55
3.5.3Lorentz-Drude模型 57
3.6仿真结果与分析 59
3.7不同纳米光栅的最小光线反射 62
3.8小结 63
致谢 64
参考文献 64
第4章新兴SMES技术在能量存储系统和智能电网中的应用 66
4.1简介 66
4.2能量存储技术 67
4.3SMES电路和控制技术 68
4.3.1工作原理 68
4.3.2控制与保护原理 71
4.3.3一种新型数字预测控制方法的原理与实现 73
4.4实验验证与特性分析 76
4.4.1实验样机设计 76
4.4.2实验验证与比较 77
4.5SMES装置的发展现状 83
4.6SMES应用拓扑和性能评估 85
4.6.1基本的VSC和CSC应用拓扑 85
4.6.2电力电网中的集成应用拓扑 87
4.6.3电力电网中SMES的应用 89
4.7SMES在智能电网中的应用前景 94
4.7.1SMES在现代电力系统中的应用案例 94
4.7.2未来智能电网中SMES的应用前景和分析 98
致谢 103
参考文献 103
第5章用于可再生能源发电机组与中压智能微电网直接集成的无升压变压器
的多电平变换器108
5.1简介 108
5.2多电平变换器拓扑 110
5.2.1中性点钳位变换器 112
5.2.2快速充电电容变换器 114
5.2.3模块化多电平级联变换器 115
5.3多电平变换器拓扑的选择 116
5.4变换器电平个数的选择 119
5.5基于FPGA的开关控制器 121
5.6高频链路MMC变换器 123
5.7小结 126
参考文献 127
第6章大规模可再生能源发电的互连规则综述 129
6.1简介 129
6.2电网互连规则的必要性 131
6.2.1资源的可变性与不确定性 131
6.2.2发电厂位置 131
6.2.3发电技术及系统条件 131
6.3电网标准研究 131
6.4电网互连中的主要技术问题 132
6.4.1静态规则 133
6.4.2电能质量 137
6.4.3扰动期间和扰动后的动态规则 139
6.5大规模光伏发电站的电网标准 143
6.6总结和未来趋势 143
6.7小结 144
参考文献 145
第7章大规模可再生能源富电网的弹性分析：基于网络渗流的方法 147
7.1简介 147
7.2系统模型 148
7.3渗流和网络弹性 150
7.4连通性测度-度中心性 153
7.5独立性测度-紧密中心性 154
7.6通信控制测度-介数中心性 156
7.7仿真结果 159
7.8小结 162
参考文献 162
第8章未来电网的频率控制和惯性响应方案 164
8.1简介 164
8.2系统频率响应 168
8.3风力发电的频率响应 172
8.4风力发电频率响应控制器 174
8.4.1风机级控制器 174
8.4.2调节器响应控制器 178
8.4.3风电场级控制器 183
8.4.4电力系统级控制器 184
8.5合成或人工惯性 186
8.6高压直流输电系统提供频率响应 188
8.7小结193
参考文献193
第9章大规模可再生能源的有功功率和频率控制 197
9.1简介197
9.2有功功率控制的传统方案 198
9.2.1主级有功功率/频率控制 198
9.2.2辅助高级控制 199
9.2.3多机四区域电力系统示例 201
9.3适用情况 203
9.3.1市场环境下的功率/频率控制 204
9.3.2可再生能源渗透的功率/频率控制 207
9.3.3互连系统交流/直流输电线下的功率/频率控制 214
9.4先进控制概念在有功功率控制中的应用 220
9.4.1应用于LFC系统的先进LQR控制器设计 220
9.4.2先进控制应用的一般示例 224
9.5小结 226
附录 227
参考文献 228
第10章相关性风电高渗透对电力系统可靠性的影响 230
10.1简介 230
10.2基于非序贯MCS的可靠性评估 231
10.3相关时变元素 232
10.4时变变量表征模型 233
10.5实验结果 235
10.5.1案例1：可变负荷和无风电场 237
10.5.2案例3: 约束输电网络 238
10.5.3案例4: 三风电场和可变负荷 240
10.6小结 240
参考文献 241
第11章海上风电场的高压直流输电 243
11.1简介 243
11.2海上风电面临的挑战 244
11.3海上电网: 交流与直流拓扑 246
11.4海上风能能量变换系统的不同概念 248
11.5海上风能高压直流输电的线路换相变换器 249
11.6海上风电高压直流输电的电压源型变换器 251
11.7海上风电高压直流输电的新趋势 252
11.7.1混合拓扑 252
11.7.2模块化多电平变换器 255
11.8电缆技术257
11.9小结 258
参考文献 259
第12章风电场保护 262
12.1简介 262
12.2传统发电机组布局 263
12.3风电场布局 263
12.4风电场与传统发电保护 263
12.5故障穿越标准、保护和协调控制 264
12.6案例研究 266
12.6.1所研究电网 266
12.7风电场并网动态故障研究 267
12.7.1模型阶次对故障电流或电压的影响 267
12.7.2时间步长对故障电流或电压的影响 267
12.7.3短路电阻对故障电流或电压的影响 268
12.7.4风力发电机组比较故障分析 269
12.8研究结果的意义 270
12.8.1类型1和类型2风力发电机组的保护性能 272
12.8.2类型3风力发电机组的保护性能 273
12.8.3类型4风力发电机组的保护性能 273
12.8.4风力发电机组的保护性能总结 274
12.9小结 274
附录 275
参考文献 277
第13章风电场和FACTS设备对距离继电器性能的影响 278
13.1简介 278
13.2距离继电器建模 280
13.3基于变换器的系统对距离继电器性能的影响 285
13.3.1风电场（DFIG方案） 285
13.3.2测试系统 286
13.3.3STATCOM288
13.3.4UPFC 291
13.3.5串联补偿 293
13.3.6非滤波频率分量输入信号在距离继电器阻抗估计中的作用 295
13.4以Prony法为滤波技术的距离保护算法 300
13.4.1Prony法 300
13.5距离保护算法分析 302
13.5.1接触误差补偿（风电场） 302
13.5.2接触误差补偿(STATCOM) 303
13.5.3接触误差补偿(UPFC) 303
13.5.4接触误差补偿 (串联补偿) 303
13.5.5接触误差补偿(实际故障事件) 304
13.6结果分析 306
13.7小结 306
参考文献 307
第14章大规模海上风电场网状VSC-HVDC输电系统的保护方案 309
14.1简介 309
14.2多端网状直流风电场网络 310
14.2.1多端网状直流风电场拓扑 310
14.2.2保护测试研究的超级电网结构 311
14.3大规模网状电力系统直流故障分析 313
14.3.1适合直流故障分析的电缆建模 313
14.3.2直流母线故障 315
14.4网状直流系统保护方案 315
14.4.1大功率直流开关设备配置 316
14.4.2直流断路器继电器协调关系 318
14.4.3保护方案 319
14.4.4无中继通信的保护选择 321
14.5直流风电场保护仿真结果 323
14.5.1直流径向电缆短路/接地故障条件 324
14.5.2直流回路电缆短路/接地故障条件 326
14.5.3直流母线短路/接地故障条件 326
14.5.4电缆模型比较 328
14.6小结 329
参考文献 329
第15章新兴无刷双馈磁阻风力发电机组的控制 331
15.1简介 331
15.2动态模型 333
15.3控制器设计 334
15.4控制原理 336
15.4.1矢量控制 336
15.4.2磁场定向控制 338
15.4.3BDFRG风机工作条件 338
15.4.4最优控制策略 339
15.4.5风机特性 339
15.5初步实验结果 340
15.6小结 343
参考文献 344
第16章间歇性风力发电的能源中心管理 346
16.1简介 346
16.1.1问题提出346
16.1.2相关工作回顾 348
16.2风险管理 348
16.3问题描述 350
16.3.1能源中心建模 350
16.3.2火电机组约束 351
16.3.3风电、电价和需求等关键问题的不确定性建模 352
16.3.4决策变量 355
16.3.5目标函数 356
16.4仿真结果 356
16.4.1数据 356
16.4.2Pareto最优前沿测定 358
16.4.3最终解的选择 359
16.5讨论 366
16.6小结 366
附录 366
附录A场景缩减技术 366
附录BPareto最优性 367
附录C模糊满意度方法 367
参考文献 368
第17章基于IEC公共信息模型的智能电网交互性和知识表示方法 370
17.1简介 370
17.2智能电网的概念 371
17.3交互性理论 372
17.3.1工程系统的交互性 375
17.3.2交互性和面向服务的体系结构 376
17.3.3交互性和CIM 377
17.4应用案例 377
17.5智能电网标准架构 378
17.6IEC CIM 380
17.6.1CIM作为电力域的本体 382
17.6.2CIM与其他标准的协调统一 382
17.7信息集成与知识表示 383
17.8小结 384
参考文献 385
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