新能源发电过程的动态建模、仿真和控制

作者: [英] 兰詹·文帕（Ranjan Vepa）著 , 周蓉译 , 滕婧译 , 张莹译

出版社: 机械工业出版社

出版时间: 2018-06

版次: 1

ISBN: 9787111597261

定价: 89.00

装帧: 平装

开本: 16开

纸张: 胶版纸

页数: 287页

丛书: 智能电网关键技术研究与应用丛书

分类: 工程技术

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《新能源发电过程的动态建模、仿真和控制》讨论了对一系列能源系统进行动态建模、仿真和控制的核心问题，包括燃气轮机、风力机、燃料电池和电池等。这些建模和控制原理也同样适用于其他非常规发电系统，如太阳能和波浪能发电。本书的主要特点在于，涉及了热力学、流体力学、传热学、电化学、电网和电机等主题，并着重讨论了它们在发电、控制和调节等领域的应用。本书将帮助读者理解能源系统的建模方法以应用于控制器的设计，并掌握控制系统和调节器的基本设计过程。它也将对能源系统的动态仿真和监测系统的实现提供有益的指导。通过对可观测系统变量的量测来估计系统内部变量，从而实现对系统的监测。对于混合发电系统的设计者们而言，本书也将提供有效的帮助。本书介绍了混合发电系统中涉及的先进技术，例如浮动或近海风力机以及燃料电池等。本书通过真实案例分析介绍了基于非线性动态模型的各种发电系统的实际控制规则，在这些控制规则中并不需要对非线性动态模型进行线性化。同时，本书还向读者介绍了基于非线性模型的估计方法及其在能源系统中的应用。 Ranjan Vepa博士毕业于斯坦福大学，获应用力学博士学位，曾在NASA Langley研究中心工作，现就职于伦敦大学。Vepa博士在动态建模和控制领域有５本著作，他的主要研究领域包括控制系统设计及相关信号处理在机械系统、能源系统、生物医学工程等方面的应用，尤其精通各类线性及非线性动态系统参数的自适应估计和动态控制，包括航天、能源和生物系统等。正是Vepa博士扎实的学术和工业背景，使得他既能从热力学、流体力学、传热学、电化学等的基础知识出发，从物理角度为读者详尽而系统地分析、介绍能源系统的基本原理，又能从实际应用角度，通过真实案例分析给读者以建议和指导译者序原书前言缩略语
第1章发电基本原理介绍1 1.1流体力学1 1.1.1质量、动量和能量守恒1 1.1.2应力应变率和黏度的关系3 1.1.3理想气体和声波4 1.1.4参考状态6 1.1.5正则冲击波关系式7 1.1.6一维流动：Rayleigh流8 1.1.7一维流动：Fanno流13 1.1.8准一维流15 1.1.9倾斜冲击波18 1.1.10 Prandtl-Meyer流20 1.2热力学22 1.2.1热力学第零定律24 1.2.2热力学第一定律24 1.2.3热力学第二和第三定律24 1.2.4在实际气体中做功所需的热量25 1.2.5自发过程和热力学势25 1.2.6可逆性、能量和循环27 1.2.7第二定律的应用28 1.2.8基本发电循环29 1.2.9热传递：传导、辐射、对流热传递30 1.3电化学：简介33 1.3.1燃料电池热力学34 1.3.2电极电化学35 1.3.3 Gibbs势能变化37 1.3.4燃料电池效率38 1.3.5电极超电位38 1.3.6半电池电极示例40 1.3.7盐桥40 1.3.8电极和电池的类型41 1.3.9蓄电池和燃料电池示例41 参考文献44
第2章能量转换原理45 2.1发电机和电动机的初步概念45 2.1.1简介45 2.1.2发电机和电动机的基本运行原理45 2.2电机：直流电动机46 2.2.1直流电动机的负荷49 2.2.2直流电动机的分类49 2.3交流电动机50 2.3.1同步电动机50 2.3.2同步电动机的分类50 2.3.3同步电动机的运转50 2.3.4同步电动机的负荷52 2.3.5感应电动机54 2.3.6交流伺服电动机55 2.3.7交流转速计57 2.4无刷直流电动机57 2.5步进式直流电动机59 2.6高性能电动制动器的设计与开发60 2.7驱动直流电动机：直流电动机的速度控制60 2.7.1控制直流电动机：位置控制伺服60 2.8驱动和控制交流电动机66 2.9电动伺服制动器的稳定性68 2.9.1劳斯表法71 2.10发电机71 2.10.1同步交流发电机72 2.10.2同步交流发电机的动态建模72 2.10.3感应交流发电机75 2.11电力系统77 2.11.1电力系统稳定性77 2.11.2输电线路79 2.11.3变压器82 2.11.4功率因数提升83 参考文献84
第3章同步和感应发电机的建模85 3.1建模的通用原理：Park变换和应用85 3.2励磁同步发电机89 3.3等效电路模型90 3.4具有磁场定向的永磁同步发电机的机电模型90 3.5励磁同步发电机的应用93 3.5.1典型励磁器的建模95 3.5.2模型参数的计算96 3.6同步发电机的性能特性97 3.7感应发电机的动态建模98 3.7.1等效电路建模99 3.7.2感应发电机模型的参数计算100 3.7.3感应发电机特性以及参数的实验测定101 3.8 DFIG：实例分析101 3.8.1稳态机电模型104 3.8.2非线性扰动动力学105 参考文献107
第4章风力发电和控制108 4.1简介108 4.2风力机组件108 4.3风力机空气动力学：动量理论108 4.3.1致动器盘原理109 4.3.2贝兹极限110 4.3.3流旋转的影响111 4.4叶素动量理论112 4.4.1功率因数：BEM理论表达式114 4.5叶片的气动设计115 4.6叶片结构动力学117 4.7风轮空气弹性变形的动态建模126 4.7.1多叶片坐标系128 4.7.2多叶片坐标系里的运动方程129 4.7.3扭转模式的离心固化130 4.7.4基于叶素理论的空气动力力矩131 4.7.5流入动力学133 4.7.6驱动流入中心的力矩133 4.7.7风轮转矩系数：一般表达式136 4.7.8风轮转矩系数：在不断流入和有稳定根间距的刚性叶片的情况下137 4.8实际的功率因数和它依靠在叶片安装上的角度138 4.9最大功率点跟踪和防止过度风转矩140 4.10柔性风轮叶片上的准稳定气动负载143 4.11弹性风轮叶片的动力学和气动力弹性学146 4.12风场速度分布和谱148 4.13支撑结构150 4.13.1塔动力学和气动伺服弹性150 4.13.2海上和浮动支撑结构151 4.13.3水动力和水下冰荷载152 4.13.4浮体动力学及波流体动力学156 4.13.5浮子-风轮被动及主动解耦控制158 参考文献159
第5章燃气轮机和压缩机的动态模型163 5.1燃气轮机：典型组成和动态模型163 5.2轴流压缩机系统：一维管道模型168 5.2.1激盘理论168 5.3 Moore-Greitzer模型168 5.3.1压缩机喘振和旋转失速169 5.3.2 Moore-Greitzer模型方程式的推导172 5.3.3 Moore-Greitzer模型方程174 5.3.4稳定流分析176 5.3.5不稳定非线性扩展Moore-Greitzer模型177 5.3.6旋转失速振动应用179 5.3.7模型响应和不稳定性180 5.3.8节流阀调整的控制规则184 5.3.9旋转失速振动强度控制184 5.3.10控制均衡的稳定性185 5.3.11压缩旋转失速控制188 5.4燃烧188 5.4.1燃烧室189 5.4.2燃烧室空气声学190 5.4.3流量耦合热声不稳定：POGO、嗡鸣、功率振荡和啸叫193 5.5整体喷气发动机体积动力学建模194 5.5.1压缩机模型196 5.5.2燃烧室子系统模型199 5.5.3涡轮动力学模型200 5.5.4涡轮动力和转矩输出203 5.5.5一维可变面积导管：后燃器和喷嘴203 5.5.6线轴动力学模拟205 5.5.7典型模拟结果205 5.6 FADEC205 参考文献206
第6章燃料电池的建模与仿真209 6.1燃料电池系统209 6.2燃料电池的热力学和电化学211 6.2.1燃料电池的热力学211 6.2.2燃料电池的电化学反应和电催化作用212 6.3氢气的产生、存储与扩散213 6.4燃料电池堆的配置和燃料电池系统214 6.5面向控制的建模和动力学215 6.6 PEMFC的降阶模型216 6.6.1 PEMFC模型218 6.6.2膜湿度模型219 6.6.3燃料电池输出电极的极化221 6.7 PEMFC的流基模型223 6.7.1 PEMFC中的动态流建模223 6.7.2电池的输出方程229 6.8 SOFC231 6.9 SOFC的热电联产应用237 6.10燃料电池仿真238 6.11估计燃料电池的参数239 6.12燃料电池控制器的设计241 参考文献245
第7章电池：建模和充电状态估计250 7.1简介250 7.2电池电化学250 7.3容量和荷电状态251 7.3.1 Peukert方程252 7.3.2性能曲线253 7.4电池建模253 7.5 SOC估计259 7.6系统和参数辨识259 7.7 KF和EKF261 7.7.1 UKF263 7.7.2自适应KF265 7.7.3基于自适应UKF的参数辨识266 参考文献267
第8章非常规能源发电：太阳能发电、波浪能发电和潮汐能发电269 8.1简介269 8.2太阳电池：特性简介270 8.2.1类型和特点271 8.2.2光敏器件：操作原理272 8.2.3太阳电池输出功率模型277 8.2.4 MPPT控制280 8.3波浪能发电281 8.3.1波浪能发电转换装置283 8.3.2浮体波电位283 8.3.3最佳动力输出条件284 8.3.4 Wells涡轮机285 8.4潮汐能286 参考文献287
内容简介:
《新能源发电过程的动态建模、仿真和控制》讨论了对一系列能源系统进行动态建模、仿真和控制的核心问题，包括燃气轮机、风力机、燃料电池和电池等。这些建模和控制原理也同样适用于其他非常规发电系统，如太阳能和波浪能发电。本书的主要特点在于，涉及了热力学、流体力学、传热学、电化学、电网和电机等主题，并着重讨论了它们在发电、控制和调节等领域的应用。本书将帮助读者理解能源系统的建模方法以应用于控制器的设计，并掌握控制系统和调节器的基本设计过程。它也将对能源系统的动态仿真和监测系统的实现提供有益的指导。通过对可观测系统变量的量测来估计系统内部变量，从而实现对系统的监测。对于混合发电系统的设计者们而言，本书也将提供有效的帮助。本书介绍了混合发电系统中涉及的先进技术，例如浮动或近海风力机以及燃料电池等。本书通过真实案例分析介绍了基于非线性动态模型的各种发电系统的实际控制规则，在这些控制规则中并不需要对非线性动态模型进行线性化。同时，本书还向读者介绍了基于非线性模型的估计方法及其在能源系统中的应用。
作者简介:
Ranjan Vepa博士毕业于斯坦福大学，获应用力学博士学位，曾在NASA Langley研究中心工作，现就职于伦敦大学。Vepa博士在动态建模和控制领域有５本著作，他的主要研究领域包括控制系统设计及相关信号处理在机械系统、能源系统、生物医学工程等方面的应用，尤其精通各类线性及非线性动态系统参数的自适应估计和动态控制，包括航天、能源和生物系统等。正是Vepa博士扎实的学术和工业背景，使得他既能从热力学、流体力学、传热学、电化学等的基础知识出发，从物理角度为读者详尽而系统地分析、介绍能源系统的基本原理，又能从实际应用角度，通过真实案例分析给读者以建议和指导
目录:
译者序原书前言缩略语
第1章发电基本原理介绍1 1.1流体力学1 1.1.1质量、动量和能量守恒1 1.1.2应力应变率和黏度的关系3 1.1.3理想气体和声波4 1.1.4参考状态6 1.1.5正则冲击波关系式7 1.1.6一维流动：Rayleigh流8 1.1.7一维流动：Fanno流13 1.1.8准一维流15 1.1.9倾斜冲击波18 1.1.10 Prandtl-Meyer流20 1.2热力学22 1.2.1热力学第零定律24 1.2.2热力学第一定律24 1.2.3热力学第二和第三定律24 1.2.4在实际气体中做功所需的热量25 1.2.5自发过程和热力学势25 1.2.6可逆性、能量和循环27 1.2.7第二定律的应用28 1.2.8基本发电循环29 1.2.9热传递：传导、辐射、对流热传递30 1.3电化学：简介33 1.3.1燃料电池热力学34 1.3.2电极电化学35 1.3.3 Gibbs势能变化37 1.3.4燃料电池效率38 1.3.5电极超电位38 1.3.6半电池电极示例40 1.3.7盐桥40 1.3.8电极和电池的类型41 1.3.9蓄电池和燃料电池示例41 参考文献44
第2章能量转换原理45 2.1发电机和电动机的初步概念45 2.1.1简介45 2.1.2发电机和电动机的基本运行原理45 2.2电机：直流电动机46 2.2.1直流电动机的负荷49 2.2.2直流电动机的分类49 2.3交流电动机50 2.3.1同步电动机50 2.3.2同步电动机的分类50 2.3.3同步电动机的运转50 2.3.4同步电动机的负荷52 2.3.5感应电动机54 2.3.6交流伺服电动机55 2.3.7交流转速计57 2.4无刷直流电动机57 2.5步进式直流电动机59 2.6高性能电动制动器的设计与开发60 2.7驱动直流电动机：直流电动机的速度控制60 2.7.1控制直流电动机：位置控制伺服60 2.8驱动和控制交流电动机66 2.9电动伺服制动器的稳定性68 2.9.1劳斯表法71 2.10发电机71 2.10.1同步交流发电机72 2.10.2同步交流发电机的动态建模72 2.10.3感应交流发电机75 2.11电力系统77 2.11.1电力系统稳定性77 2.11.2输电线路79 2.11.3变压器82 2.11.4功率因数提升83 参考文献84
第3章同步和感应发电机的建模85 3.1建模的通用原理：Park变换和应用85 3.2励磁同步发电机89 3.3等效电路模型90 3.4具有磁场定向的永磁同步发电机的机电模型90 3.5励磁同步发电机的应用93 3.5.1典型励磁器的建模95 3.5.2模型参数的计算96 3.6同步发电机的性能特性97 3.7感应发电机的动态建模98 3.7.1等效电路建模99 3.7.2感应发电机模型的参数计算100 3.7.3感应发电机特性以及参数的实验测定101 3.8 DFIG：实例分析101 3.8.1稳态机电模型104 3.8.2非线性扰动动力学105 参考文献107
第4章风力发电和控制108 4.1简介108 4.2风力机组件108 4.3风力机空气动力学：动量理论108 4.3.1致动器盘原理109 4.3.2贝兹极限110 4.3.3流旋转的影响111 4.4叶素动量理论112 4.4.1功率因数：BEM理论表达式114 4.5叶片的气动设计115 4.6叶片结构动力学117 4.7风轮空气弹性变形的动态建模126 4.7.1多叶片坐标系128 4.7.2多叶片坐标系里的运动方程129 4.7.3扭转模式的离心固化130 4.7.4基于叶素理论的空气动力力矩131 4.7.5流入动力学133 4.7.6驱动流入中心的力矩133 4.7.7风轮转矩系数：一般表达式136 4.7.8风轮转矩系数：在不断流入和有稳定根间距的刚性叶片的情况下137 4.8实际的功率因数和它依靠在叶片安装上的角度138 4.9最大功率点跟踪和防止过度风转矩140 4.10柔性风轮叶片上的准稳定气动负载143 4.11弹性风轮叶片的动力学和气动力弹性学146 4.12风场速度分布和谱148 4.13支撑结构150 4.13.1塔动力学和气动伺服弹性150 4.13.2海上和浮动支撑结构151 4.13.3水动力和水下冰荷载152 4.13.4浮体动力学及波流体动力学156 4.13.5浮子-风轮被动及主动解耦控制158 参考文献159
第5章燃气轮机和压缩机的动态模型163 5.1燃气轮机：典型组成和动态模型163 5.2轴流压缩机系统：一维管道模型168 5.2.1激盘理论168 5.3 Moore-Greitzer模型168 5.3.1压缩机喘振和旋转失速169 5.3.2 Moore-Greitzer模型方程式的推导172 5.3.3 Moore-Greitzer模型方程174 5.3.4稳定流分析176 5.3.5不稳定非线性扩展Moore-Greitzer模型177 5.3.6旋转失速振动应用179 5.3.7模型响应和不稳定性180 5.3.8节流阀调整的控制规则184 5.3.9旋转失速振动强度控制184 5.3.10控制均衡的稳定性185 5.3.11压缩旋转失速控制188 5.4燃烧188 5.4.1燃烧室189 5.4.2燃烧室空气声学190 5.4.3流量耦合热声不稳定：POGO、嗡鸣、功率振荡和啸叫193 5.5整体喷气发动机体积动力学建模194 5.5.1压缩机模型196 5.5.2燃烧室子系统模型199 5.5.3涡轮动力学模型200 5.5.4涡轮动力和转矩输出203 5.5.5一维可变面积导管：后燃器和喷嘴203 5.5.6线轴动力学模拟205 5.5.7典型模拟结果205 5.6 FADEC205 参考文献206
第6章燃料电池的建模与仿真209 6.1燃料电池系统209 6.2燃料电池的热力学和电化学211 6.2.1燃料电池的热力学211 6.2.2燃料电池的电化学反应和电催化作用212 6.3氢气的产生、存储与扩散213 6.4燃料电池堆的配置和燃料电池系统214 6.5面向控制的建模和动力学215 6.6 PEMFC的降阶模型216 6.6.1 PEMFC模型218 6.6.2膜湿度模型219 6.6.3燃料电池输出电极的极化221 6.7 PEMFC的流基模型223 6.7.1 PEMFC中的动态流建模223 6.7.2电池的输出方程229 6.8 SOFC231 6.9 SOFC的热电联产应用237 6.10燃料电池仿真238 6.11估计燃料电池的参数239 6.12燃料电池控制器的设计241 参考文献245
第7章电池：建模和充电状态估计250 7.1简介250 7.2电池电化学250 7.3容量和荷电状态251 7.3.1 Peukert方程252 7.3.2性能曲线253 7.4电池建模253 7.5 SOC估计259 7.6系统和参数辨识259 7.7 KF和EKF261 7.7.1 UKF263 7.7.2自适应KF265 7.7.3基于自适应UKF的参数辨识266 参考文献267
第8章非常规能源发电：太阳能发电、波浪能发电和潮汐能发电269 8.1简介269 8.2太阳电池：特性简介270 8.2.1类型和特点271 8.2.2光敏器件：操作原理272 8.2.3太阳电池输出功率模型277 8.2.4 MPPT控制280 8.3波浪能发电281 8.3.1波浪能发电转换装置283 8.3.2浮体波电位283 8.3.3最佳动力输出条件284 8.3.4 Wells涡轮机285 8.4潮汐能286 参考文献287

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