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第1章 能源与电力1

1.1世界能源形势1

1.1.1历史1

1.1.2世界能源消耗1

1.1.3有限的能源2

1.1.4能源安全和使用的不均等性2

1.2能源使用的环境影响3

1.2.1存在的问题3

1.2.2科学研究3

1.2.3京都议定书5

1.2.4斯特恩报告6

1.2.5能源高效利用7

1.2.6电力行业8

1.2.7可能的解决方案及可持续发展8

1.3电力生产9

1.3.1能量形式的转化——转化效率的重要性9

1.3.2核电9

1.3.3碳捕集与封存10

1.3.4可再生能源11

1.4电力系统13

1.4.1电力系统结构13

1.4.2可再生能源集成到电力系统14

1.4.3分布式发电14

1.4.4可再生能源的渗透率15

参考文献15

第2章 常规能源和可再生能源发电的特点17

2.1引言17

2.2常规能源：煤、天然气和核能17

2.3水电18

2.3.1大型水电19

2.3.2小水电19

2.4风电21

2.4.1风电资源21

2.4.2风的波动性22

2.4.3风轮机23

2.4.4风电的波动性26

2.5太阳能光伏发电与太阳能热发电27

2.5.1太阳能资源27

2.5.2太阳能发电技术28

2.5.3太阳能光伏发电系统29

2.5.4太阳能热发电系统30

2.6潮汐发电32

2.6.1潮汐资源32

2.6.2潮汐强化32

2.6.3潮汐坝33

2.6.4运行策略33

2.6.5潮流发电34

2.7波力发电36

2.7.1波能资源36

2.7.2波力发电技术36

2.7.3波力发电的波动性37

2.8生物质发电38

2.8.1生物质资源38

2.8.2资源的可持续性39

2.9发电特点总结39

2.10多能互补40

参考文献41

第3章 功率平衡和频率控制42

3.1引言42

3.2电力负荷43

3.2.1需求负荷曲线43

3.2.2削峰效应43

3.2.3需求侧管理和负荷延迟性44

3.3电能控制45

3.3.1电能转换链45

3.3.2调速器45

3.3.3双机并列运行46

3.3.4多机系统47

3.3.5稳态条件下的功率一频率关系48

3.4大系统的动态频率控制49

3.4.1负荷平衡49

3.4.2负荷预测50

3.4.3频率极限51

3.4.4发电计划和备用容量51

3.4.5不同时间范围下的频率控制52

3.4.6功率平衡与系统可靠性53

3.4.7容量因数和容量信赖度54

3.5可再生能源发电对频率控制及供电可靠性的影响55

3.5.1简介55

3.5.2能源积聚55

3.5.3风能的利用价值58

3.5.4对功率平衡的影响58

3.5.5可靠性的影响60

3.5.6弃电/限电60

3.5.7渗透率增加引起的成本增加61

3.5.8不同的可再生能源的结合61

3.5.9电力系统之间的差异62

3.5.10不可调度电源的渗透限制62

3.6可再生能源频率响应装置64

3.6.1风力发电64

3.6.2生物燃料65

3.6.3水电65

3.6.4光伏发电65

3.7频率控制模型66

3.7.1背景66

3.7.2建模实例67

3.8储能69

3.8.1简介69

3.8.2储能装置69

3.8.3动态需求负荷控制70

参考文献71

第4章 发电与电力调节73

4.1可再生能源向电能形式的转换73

4.2同步发电机74

4.2.1结构和运行方式74

4.2.2旋转磁场76

4.2.3并网时同步发电机的运行77

4.2.4同步发电机的等效电路78

4.2.5电力传输方程79

4.2.6三相方程式80

4.2.7四象限运行80

4.2.8负荷角特性：稳定性81

4.3变压器81

4.3.1变压器基础81

4.3.2变压器等效电路82

4.3.3变压器的进一步细节83

4.4异步发电机84

4.4.1结构和属性84

4.4.2感应发电机的等效电路85

4.4.3感应发电机的效率87

4.4.4感应发电机的速度转矩特性87

4.4.5感应发电机无功功率90

4.4.6异步和同步发电机的比较90

4.5电力电子91

4.5.1简介91

4.5.2电力半导体器件92

4.5.3二极管桥整流器93

4.5.4谐波94

4.5.5晶闸管桥转换器95

4.5.6晶体管桥96

4.5.7转换器内部控制系统100

4.5.8直流一直流变换器100

4.6可再生能源中的应用101

4.6.1应用于光伏（PV）发电系统101

4.6.2风电中的应用103

参考文献110

第5章 电力系统分析112

5.1引言112

5.2输电系统112

5.2.1单相表示法114

5.2.2输电和配电系统114

5.2.3电网实例115

5.3电压控制116

5.4无耦合线路的潮流117

5.4.1架空线路和电缆的特性117

5.4.2单相等值电路117

5.4.3电压损耗计算118

5.4.4简化与结论119

5.5无功管理120

5.6潮流与电力系统仿真122

5.6.1潮流计算的功能122

5.6.2特例分析123

5.6.3网络数据124

5.6.4发电量/负荷数据124

5.6.5潮流计算过程126

5.6.6潮流计算结果127

5.6.7不平衡潮流127

5.7故障与保护127

5.7.1短路故障电流128

5.7.2对称三相短路电流129

5.7.3一般短路电流129

5.7.4 短路容量129

5.7.5戴维南等效电路130

5.8电网动态仿真130

5.9可靠性分析131

参考文献131

第6章 电力系统中的可再生能源发电133

6.1分布式发电133

6.1.1简介133

6.1.2公共耦合点（PCC）134

6.1.3连接电压134

6.2电压影响135

6.2.1稳态电压升高135

6.2.2自动电压控制——变压器分接头135

6.2.3可再生能源发电的有功和无功功率136

6.2.4潮流实例136

6.3热稳定极限139

6.3.1架空输电线和电缆139

6.3.2变压器139

6.4嵌入式电源的一些问题140

6.4.1电压闪变、电压阶跃和电压跌落140

6.4.2谐波和畸变140

6.4.3相电压不平衡141

6.4.4电能质量141

6.4.5电网结构强化141

6.4.6网络损耗142

6.4.7故障等级升高142

6.5孤岛效应143

6.5.1简介143

6.5.2旋转发电机的解列保护143

6.5.3逆变器的解列保护144

6.6故障跨越144

6.7发电机和变换器特性145

参考文献146

第7章 电力系统经济学与电力市场147

7.1引言147

7.2发电成本147

7.2.1可再生能源和常规发电厂的资金投入和运营成本147

7.2.2发电总成本148

7.3电力系统的经济最优化150

7.3.1电力系统发电机的种类150

7.3.2最佳经济性调度151

7.3.3等增量成本调度152

7.3.4带若干机组和发电限额的最佳经济性调度153

7.3.5公平竞争环境下的成本153

7.4外部成本154

7.4.1简介154

7.4.2外部成本的类型154

7.4.3京都议定书155

7.4.4污染成本156

7.4.5污染定价157

7.5分布式发电的影响158

7.5.1不同电网节点的能源价值158

7.5.2现金流分析159

7.5.3分布式发电的价值——区域性和局部性问题160

7.5.4发电容量可信度161

7.5.5小结162

7.6可再生能源的支持机制162

7.6.1简介162

7.6.2法律法规163

7.6.3配额体制163

7.6.4碳税164

7.7电力贸易164

7.7.1简介164

7.7.2英国电力供应产业（ESI ）165

7.7.3其他国家和地区的竞争性批发市场169

7.7.4可再生能源在竞争性批发市场中的价值171

参考文献174

第8章 可持续电力供应系统的未来176

8.1简介176

8.2风电的未来177

8.2.1大型风轮机177

8.2.2海上风电的发展178

8.2.3风电建筑一体化181

8.3太阳能的未来182

8.3.1太阳能光伏发电183

8.3.2太阳能热发电183

8.4生物质发电的未来184

8.5水电和海洋发电的未来184

8.6分布式发电及未来电网185

8.6.1配网的发展185

8.6.2主动电网186

8.6.3分布式发电的相关问题186

8.6.4解决技术难题的方法187

8.7结论189

参考文献189

附录A电力工程的基本概念191

A.1介绍191

A.2发电机和电力用户191

A.3为什么选用交流电192

A.4交流电的波形192

A.5电路元件对交流电的响应193

A.5.1电阻193

A.5.2电感194

A.5.3电容195

A.6相量196

A.7相量求和运算197

A.8矩形表示法198

A.9电抗与阻抗199

A.9.1电阻199

A.9.2电感199

A.9.3电容199

A.9.4全阻抗200

A.10交流电路中的功率201

A.11无功功率202

A.12复功率202

A.13有功和无功功率守恒204

A.14无功潮流的影响——功率因数校正204

A.15三相交流电205

A.16戴维南等效电路207

参考文献208