新能源发电过程的动态建模、仿真和控制

兰詹·文帕等著的《新能源发电过程的动态建模仿真和控制/智能电网关键技术研究与应用丛书》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很好规发电系统，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优选技术，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。
本书适合从事新能源发电技术的工程技术人员阅读，也可供从事常规能源发电技术的工程技术人员和大专院校相关专业师生参考。

兰詹·文帕（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 流体力学
1.1.1 质量、动量和能量守恒
1.1.2 应力应变率和黏度的关系
1.1.3 理想气体和声波
1.1.4 参考状态
1.1.5 正则冲击波关系式
1.1.6 一维流动：Rayleigh流
1.1.7 一维流动：Fanno流
1.1.8 准一维流
1.1.9 倾斜冲击波
1.1.1 0Prandtl-Meyer流
1.2 热力学
1.2.1 热力学第零定律
1.2.2 热力学第一定律
1.2.3 热力学第二和第三定律
1.2.4 在实际气体中做功所需的热量
1.2.5 自发过程和热力学势
1.2.6 可逆性、能量和循环
1.2.7 第二定律的应用
1.2.8 基本发电循环
1.2.9 热传递：传导、辐射、对流热传递
1.3 电化学：简介
1.3.1 燃料电池热力学
1.3.2 电极电化学
1.3.3 Gibbs势能变化
1.3.4 燃料电池效率
1.3.5 电极超电位
1.3.6 半电池电极示例
1.3.7 盐桥
1.3.8 电极和电池的类型
1.3.9 蓄电池和燃料电池示例
参考文献
第2章 能量转换原理
2.1 发电机和电动机的初步概念
2.1.1 简介
2.1.2 发电机和电动机的基本运行原理
2.2 电机：直流电动机
2.2.1 直流电动机的负荷
2.2.2 直流电动机的分类
2.3 交流电动机
2.3.1 同步电动机
2.3.2 同步电动机的分类
2.3.3 同步电动机的运转
2.3.4 同步电动机的负荷
2.3.5 感应电动机
2.3.6 交流伺服电动机
2.3.7 交流转速计
2.4 无刷直流电动机
2.5 步进式直流电动机
2.6 高性能电动制动器的设计与开发
2.7 驱动直流电动机：直流电动机的速度控制
2.7.1 控制直流电动机：位置控制伺服
2.8 驱动和控制交流电动机
2.9 电动伺服制动器的稳定性
2.9.1 劳斯表法
2.10 发电机
2.10.1 同步交流发电机
2.10.2 同步交流发电机的动态建模
2.10.3 感应交流发电机
2.11 电力系统
2.11.1 电力系统稳定性
2.11.2 输电线路
2.11.3 变压器
2.11.4 功率因数提升
参考文献
第3章 同步和感应发电机的建模
3.1 建模的通用原理：Park变换和应用
3.2 励磁同步发电机
3.3 等效电路模型
3.4 具有磁场定向的永磁同步发电机的机电模型
3.5 励磁同步发电机的应用
3.5.1 典型励磁器的建模
3.5.2 模型参数的计算
3.6 同步发电机的性能特性
3.7 感应发电机的动态建模
3.7.1 等效电路建模
3.7.2 感应发电机模型的参数计算
3.7.3 感应发电机特性以及参数的实验测定
3.8 DFIG：实例分析
3.8.1 稳态机电模型
3.8.2 非线性扰动动力学
参考文献
第4章 风力发电和控制
4.1 简介
4.2 风力机组件
4.3 风力机空气动力学：动量理论
4.3.1 致动器盘原理
4.3.2 贝兹极限
4.3.3 流旋转的影响
4.4 叶素动量理论
4.4.1 功率因数：BEM理论表达式
4.5 叶片的气动设计
4.6 叶片结构动力学
4.7 风轮空气弹性变形的动态建模
4.7.1 多叶片坐标系
4.7.2 多叶片坐标系里的运动方程
4.7.3 扭转模式的离心固化
4.7.4 基于叶素理论的空气动力力矩
4.7.5 流入动力学
4.7.6 驱动流入中心的力矩
4.7.7 风轮转矩系数：一般表达式
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
4.8 实际的功率因数和它依靠在叶片安装上的角度
4.9 最大功率点跟踪和防止过度风转矩
4.10 柔性风轮叶片上的准稳定气动负载
4.11 弹性风轮叶片的动力学和气动力弹性学
4.12 风场速度分布和谱
4.13 支撑结构
4.13.1 塔动力学和气动伺服弹性
4.13.2 海上和浮动支撑结构
4.13.3 水动力和水下冰荷载
4.13.4 浮体动力学及波流体动力学
4.13.5 浮子-风轮被动及主动解耦控制
参考文献
第5章 燃气轮机和压缩机的动态模型
5.1 燃气轮机：典型组成和动态模型
5.2 轴流压缩机系统：一维管道模型
5.2.1 激盘理论
5.3 Moore-Greitzer模型
5.3.1 压缩机喘振和旋转失速
5.3.2 Moore-Greitzer模型方程式的推导
5.3.3 Moore-Greitzer模型方程
5.3.4 稳定流分析
5.3.5 不稳定非线性扩展Moore-Greitzer模型
5.3.6 旋转失速振动应用
5.3.7 模型响应和不稳定性
5.3.8 节流阀调整的控制规则
5.3.9 旋转失速振动强度控制
5.3.10 控制均衡的稳定性
5.3.11 压缩旋转失速控制
5.4 燃烧
5.4.1 燃烧室
5.4.2 燃烧室空气声学
5.4.3 流量耦合热声不稳定：POGO、嗡鸣、功率振荡和啸叫
5.5 整体喷气发动机体积动力学建模
5.5.1 压缩机模型
5.5.2 燃烧室子系统模型
5.5.3 涡轮动力学模型
5.5.4 涡轮动力和转矩输出
5.5.5 一维可变面积导管：后燃器和喷嘴
5.5.6 线轴动力学模拟
5.5.7 典型模拟结果
5.6 FADEC
参考文献
第6章 燃料电池的建模与仿真
6.1 燃料电池系统
6.2 燃料电池的热力学和电化学
6.2.1 燃料电池的热力学
6.2.2 燃料电池的电化学反应和电催化作用
6.3 氢气的产生、存储与扩散
6.4 燃料电池堆的配置和燃料电池系统
6.5 面向控制的建模和动力学
6.6 PEMFC的降阶模型
6.6.1 PEMFC模型
6.6.2 膜湿度模型
6.6.3 燃料电池输出电极的极化
6.7 PEMFC的流基模型
6.7.1 PEMFC中的动态流建模
6.7.2 电池的输出方程
6.8 SOFC
6.9 SOFC的热电联产应用
6.10 燃料电池仿真
6.11 估计燃料电池的参数
6.12 燃料电池控制器的设计
参考文献
第7章 电池：建模和充电状态估计
7.1 简介
7.2 电池电化学
7.3 容量和荷电状态
7.3.1 Peukert方程
7.3.2 性能曲线
7.4 电池建模
7.5 SOC估计
7.6 系统和参数辨识
7.7 KF和EKF
7.7.1 UKF
7.7.2 自适应
7.7.3 基于自适应UKF的参数辨识
参考文献
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
8.1 简介
8.2 太阳电池：特性简介
8.2.1 类型和特点
8.2.2 光敏器件：操作原理
8.2.3 太阳电池输出功率模型
8.2.4 MPPT控制
8.3 波浪能发电
8.3.1 波浪能发电转换装置
8.3.2 浮体波电位
8.3.3 最佳动力输出条件
8.3.4 Wells涡轮机
8.4 潮汐能
参考文献

在过去的十年间，人们已经见证了全世界化石燃料资源的逐渐枯竭，这促使人们更加迫切要求提高电力生产及利用的效率，而且人们关注的重点逐渐转向风能、太阳能、水能等不会造成环境污染的可再生能源的利用。这种迫切需求促使了一系列基于自动控制技术的应用，以尽可能最优地将能源向其可利用形式转化。为了在能量生产过程中应用现代自动控制器设计技术，必须要对能量产生和转化的动态过程中最重要的环节进行有效的建模。而这种建模不仅方便了自动控制系统的设计，以用于调节能量的生产过程，而且有利于确保该系统运行于最佳效率。此外，它将便于利用现代估计方法对相关系统变量进行持续监测。本书涉及一系列关键问题，包括动态建模、仿真和某些能源系统的控制问题，例如燃气轮机、风力机、燃料电池和电池等。这些建模和控制的原理也同样适用于其他非常规发电方法，如太阳能和波浪能。本书的主要特点在于，它汇集了一系列关于发电系统的设计、调节和控制等不同主题。本书帮助读者掌握能源系统的建模方法，以实现控制器的设计，并理解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，即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。本书的一个核心特征是，它汇集了热力学、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。它也将为混合发电系统的设计提供有效帮助，书中介绍了混合发电系统所涉及的先进技术，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。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。本书的第1章介绍了对于理解后续第3~8章内容所必需的电机、流体力学、热力学以及传热的基本原理。第2章的主题是能量向可利用的电能形式转换的原理，第2章还涵盖了所有电动机和发电机的基本原理。此外，第2章还有一节关于电动机的扩展部分，这是控制系统的关键要素。第3章的重点是交流电机的动态特征，主要介绍感应和同步发电机的特性。第4章着重于风力发电，包括典型的水平轴线风力机的部件，风力发电的基本原理，风场的特性和范围，以及风轮、塔、浮子或支撑结构的动态特征。第5章涉及燃气轮机和压缩机的动态建模，包括燃烧室、涡轮机、喷嘴和扩散器。第6章是关于燃料电池的电化模型，第7章介绍了高性能电池。最后一章主要讨论了非常规发电方法。我要感谢我的同事，以及过去和现在那些在伦敦大学工程与材料科学学院的学生对我的支持。新能源发电过程中的动态建模、仿真及控制原 书 前 言我要感谢我的妻子Sudha，感谢她的爱、她的理解和耐心。她的鼓励是激励我完成本书的主要动力。我还想感谢我们的孩子Lullu、Satvi和Abhinav，感谢她们在本书撰写过程中对我的理解。RVepa