新能源发电与控制技术 第3版

定　　价：49 元

丛书名：“十三五“国家重点出版物出版规划项目卓越工程能力培养与工程教育专业认证系列规划教材(电气工程及其自动化、自动化专业)“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材

• 作者：惠晶
• 出版时间：2018/7/1
• ISBN：9787111600763
• 出 版 社：机械工业出版社

• 中图法分类：TM61 
• 纸张：胶版纸
• 开本：16开

内容简介

本书为“十二五” 普通高等教育本科规划教材。
本书第1 版新能源转换与控制技术于2008年2月问世。于2012年对本书进行修订时，考虑到能源转换涉及面极为广泛，而本书的重点是介绍新能源发电及其控制技术，故第2 版更名为新能源发电与控制技术。 本书第2 版出版至今，新能源的利用与开发取得了巨大成就，社会与经济价值在国际上获得广泛认可。为了反映新研究成果､体现技术更新，本书在第2 版的基础上再次修订与完善。
本书共分为8 章，主要内容包括: 新能源发电与控制技术导论，电源变换和控制技术基础知识，风能､风力发电与控制技术，太阳能､光伏发电与控制技术，生物质能发电与控制技术，分布式电源与微电网组网技术，核能发电与应用技术，其他形式新能源的发电与应用技术。
本书可作为电气工程及其自动化､新能源科学与工程､自动化､能源动力等专业的本科生教材。 对相关学科的研究生和从事新能源利用与发电的广大工程技术人员也是一本较为系统､完整的参考书。

序 言

前言

本书第1 版于2008 年2 月出版，书名是新能源转换与控制技术，由于能源转换涉及面极其广泛，而本书内容主要涉及如何将一次能源转换成电能，即能—电转换形式，重点介绍利用新能源的发电及其控制技术，因此，第2 版更名为新能源发电与控制技术。 本书第2 版出版至今，新能源的利用与开发已取得巨大成就，社会与经济价值在国际上获得广泛认可。 为了反映最新研究成果､体现技术更新，本书在第2 版的基础上再次修订与完善。 本书修订与增补的主要依据是: ①随着科学技术的进步，环境保护意识的加强，世界各国对新能源的开发与利用已达到前所未有的高度；以风能､太阳能､生物质能为代表的可再生能源发电与运行成本均大幅度降低，社会和经济效益显著，本书各章中使用的技术､经济数据需要更新。 ②近5 年，物联网技术已渗透到生产与消费的各个领域，传统的发电—输电—用电系统开始受到更加灵活､可靠､多样性并举的智能电网､分布式发电与微电网的挑战，本书增加了“分布式电源与微电网组网技术” 一章。 ③尽管水能是可再生能源的重要表现形式，然而水力发电技术是相对传统和成熟的发电方式之一，水力及水轮机的控制相对简单，已有许多文献介绍，因此，本书将其压缩为一节，并入第8 章“ 其他形式新能源的发电与应用技术”。 ④作者在近10 年选择本书前两版作为江南大学电气工程及其自动化本科专业的教材，切身体会到原书有些内容和结构还不够科学，对于相关新研究成果和新应用水平，需要与时俱进，力求能比较客观､全面地反映在本教材中；在第2 版中引用的一些经济､技术数据已经过时，还发现个别错误需要勘正。 基于上述四点，认为有必要对第2 版的结构进行调整､对内容进行修订与补充。 本书第3 版传承了前两版的体系和特色，将新能源发电与控制技术有机地结合起来，重点介绍了以可再生能源为主的各类新能源的表现形式､主要利用方式及其发电原理､电源变换与控制技术。
新能源发电作为一门涉及多学科的新兴技术，已日益受到国际社会的青睐。 “21 世纪可再生能源政策网(REN21，Renewable Energy Policy Network for the 21st Century)” 2017 年发布的可再生能源全球现状报告( GSR2017) 称: 2016 年全球可再生能源继续保持增长，年度总投资规模达2416 亿美元。 在2004 ~2016 年的12 年间，可再生能源投资增长了4.4 倍，可再生能源的发电总量(不含大水电) 自2004 年起增长了10.84 倍，达到921GW (1GW =10 亿W)，约占全球总发电容量的7.9%，其中风电场占4.0%､生物质发电占2.0%､光伏发电占1.5%､海洋与太阳能聚热发电等占0.4%。 可再生能源产业为全球提供了约830 万个就业岗位(我国364.3 万个)；2016 年，全球风电场装机容量达487GW，增长55GW，其中装机量与发电量最多的是我国，占全球总量的25.1%；2016 年，全球光伏发电装机容量达303GW，增加了75GW，相当于每小时安装31000 块光伏板。 目前，全球已有约120 个国家制定了促进使用可再生能源的国家目标。 此外，在我国，随着 中华人民共和国可再生能源法 国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006 ~2020 年) 等法规和纲领性文献的相继执行，对我国在新能源综合利用方面起到了巨大作用，使我国近10 年持续保持着世界第一的增长率，新能源发电无论是装机容量还是发电量均处于世界领先地位。
目前，国内外虽已有多种版本可再生能源利用的著作面世，但鉴于新能源利用涉及的能源种类繁多，应用规模和水平日新月异，主要技术不断成熟的特点，急需一本能够兼顾各类新能源发电与控制技术的综合性教材。 随着高等教育课程体系改革的不断深入，在增加新技术课程､专业课时大幅度压缩的情况下，作者在长期的教学实践中也切身感到十分需要一本结构合理､选材科学､较为系统全面､综合性和专业性强的相关教材。 这些因素也是继2012 年9 月本书第2 版问世以来，对本书再一次修订､增补的社会需求。
为了保证教学的延续性，提高本书的合理性与科学性，第3 版保留了第1 版经教学实践检验过的多数内容，对原书结构和章节做了适当调整与增补。 首先，按可再生能源开发利用的成熟度､重要性和发展前景，对第3 章~ 第8 章的内容按风力发电､光伏发电､生物质能发电､分布式电源与微电网､核能发电和其他新能源发电的顺序重新编排；其次，考虑到第2 版中第5 章介绍的“水能､小水力发电与控制技术” 虽然属于可再生能源利用及发电范畴，但技术成熟，与大型水电站的发电与控制重合度较高，因此删除原章节，将其并到第8章“其他形式新能源的发电与应用技术” 的第一节，重点突出“小水力及小水电发电机组”的特点；近几年随着IT 技术的发展，智能电网快速发展，分布式电源与微电网是智能电网的重要组成与补充，因此，在第6 章中增加了相关内容；因核能发电属于清洁能源利用的重要形式，核电装置在新能源利用中占据重要的地位，在本书的第7

目 录

目 录
序
前言
本书常用变量及符号说明
第1 章 新能源发电与控制技术导论 1
1.1 能源储备与可持续发展战略 1
1.1.1 我国的能源结构与储备 1
1.1.2 我国的可持续发展战略 3
1.2 能源的分类与基本特征 4
1.2.1 能源的分类 4
1.2.2 能源的基本特征 4
1.2.3 新能源及主要特征 5
1.2.4 分布式能源及主要特征 6
1.3 新能源发电———能源转换的重要形式 9
1.3.1 新能源发电技术的应用 9
1.3.2 我国新能源发电的现状 10
1.4 新能源发电与控制技术的经济意义 12
1.4.1 能源是经济发展的引擎 12
1.4.2 新能源发电的经济意义 14
第2 章 电源变换和控制技术基础
知识 18
2.1 常用电力电子器件及其分类 18
2.1.1 电力电子器件的特征和分类 18
2.1.2 不可控型器件———电力二极管 19
2.1.3 半控型器件———晶闸管 20
2.1.4 全控型器件———电力MOSFET 和绝缘栅双极型晶体管IGBT 21
2.2 半导体功率器件的驱动与保护电路 24
2.2.1 晶闸管触发驱动器 24
2.2.2 IGBT 和MOSFET 驱动器 25
2.2.3 功率器件的保护电路 30
2.3 常用脉宽调制(PWM) 控制技术 33
2.3.1 直流PWM 控制技术 33
2.3.2 正弦波脉宽调制(SPWM)
控制技术 35
2.3.3 SVPWM 与CHBPWM 控制技术 38
2.4 AC—DC 变换电路 40
2.4.1 二极管整流器———不控整流 40
2.4.2 晶闸管整流器———相控整流 41
2.4.3 PWM 整流器———斩波整流 42
2.5 DC—DC 变换电路 44
2.5.1 单管非隔离式DC—DC 变换器 45
2.5.2 隔离式DC—DC 变换器 46
2.6 DC—AC 变换电路 49
2.6.1 常用DC—AC 变换电路 49
2.6.2 DC—AC 逆变器的分类 50
2.7 AC—AC 变换电路 51
2.7.1 AC—AC 交流斩波(降压)调压器 51
2.7.2 典型AC—AC 变换电路 52
本章小结 54
第3 章 风能､风力发电与控制技术 55
3.1 风的特性及风能利用 55
3.1.1 风的产生 55
3.1.2 风的特性与风能 56
3.1.3 风能的利用 59
3.2 风力发电及其工作原理 60
3.2.1 风力发电机组的分类及结构 60
3.2.2 风力机及风能转换原理 61
3.2.3 风力发电机及工作原理 64
3.3 风力机的调节与控制 72
3.3.1 风力机的定桨距调节与控制 73
3.3.2 风力机的变桨距调节与控制 73
3.3.3 风力机偏航系统的调节与控制 76
3.4 风力发电机组的控制 77
3.4.1 风力发电机组的恒速恒频控制 77
3.4.2 风力发电机组的变速恒频控制 78
3.5 风力发电机组的并网与安全运行 90
3.5.1 同步风力发电机组的并网技术 90
3.5.2 异步风力发电机组的并网技术 93
3.5.3 双馈异步风力发电机的并网运行系统 98
3.5.4 风力发电机组的并网安全运行与防护措施 99
3.6 风力发电的经济技术性评价 105
3.6.1 风力发电的经济性指标 105
3.6.2 影响风力发电经济性的主要因素 107
本章小结 108
第4 章 太阳能､光伏发电与控制技术 110
4.1 太阳的辐射及太阳能利用 110
4.1.1 太阳的辐射 110
4.1.2 太阳能的转换与利用 114
4.2 光伏发电原理与太阳电池 121
4.2.1 太阳能光伏发电的原理 121
4.2.2 太阳电池的发展与分类 123
4.2.3 光伏阵列与输出特性 125
4.2.4 光伏发电系统的构成与分类 128
4.3 光伏发电系统的MPPT 控制技术 133
4.3.1 光伏电池的最大功率点及环境特性影响 133
4.3.2 光伏电池最大功率点跟踪与控制策略 134
4.3.3 光伏电池最大功率点的仿真与实现 138
4.4 独立式光伏发电系统 141
4.4.1 独立式光伏发电系统的结构及工作原理 141
4.4.2 独立式光伏供电系统的储能与充放电控制技术 142
4.5 并网式光伏发电系统 145
4.5.1 并网式光伏发电系统的结构及工作原理 145
4.5.2 并网光伏逆变器的频率跟踪与锁相控制技术 149
4.5.3 光伏发电系统的并网安全运行与防护措施 151
4.6 光伏发电的发展前景与经济技术评价 153
本章小结 155
第5 章 生物质能发电与控制技术 156
5.1 生物质能的形式及其利用 156
5.1.1 生物质能的概念 156
5.1.2 生物质能存在的形式 158
5.1.3 生物质能的开发利用与发展状况 159
5.2 生物质能的制取与发电技术 165
5.2.1 生物质能的制取与发电分类 165
5.2.2 沼气发电技术与控制策略 170
5.2.3 垃圾焚烧发电技术与控制策略 181
5.2.4 生物质燃料电池的发电技术 189
5.2.5 生物质直接液化制燃料油的发电技术 194
5.3 生物质能的并网发电及对电网的影响 198
5.4 生物质能发电的经济技术性评价 200
本章小结 202
第6 章 分布式电源与微电网组网技术 204
6.1 分布式能源的特征及其应用 204
6.1.1 分布式能源的特征 205
6.1.2 分布式能源的应用 206
6.2 分布式供电与储能技术 208
6.2.1 天然气､燃气发电与控制技术 209
6.2.2 氢能､氢燃料电池发电与控制技术 215
6.2.3 分布式供电与混合储能技术 220
6.3 微电网与多单元混合组网技术 225
6.3.1 基于直流母线并网的微电网技术 227
6.3.2 基于交流与直流混合组网的微电网技术 233
6.3.3 微电网的调度与可靠性分析 236
6.4 电能质量与控制技术 243
6.4.1 功率因数校正 244
6.4.2 谐波治理与补偿技术 245
6.4.3 三相电压技术 248
6.5 分布式能源的综合利用及经济技术评价 249
6.5.1 分布式能源的综合利用 249
6.5.2 分布式能源的经济技术与可行性评价 250
本章小结 255
第7 章 核能发电与应用技术 256
7.1 核能的形式及其利用 256
7.1.1 核能的主要形式 256
7.1.2 核能的和平利用 259
7.2 核反应原理及反应装置 259
7.2.1 核反应堆工作原理 259
7.2.2 核反应堆装置 260
7.3 核能发电技术与发电设备 261
7.4 核电站的运行与监控系统 263
7.4.1 核电站的运行 263
7.4.2 核电站的监控系统 266
7.5 核能发电的经济技术性评价 271
本章小结 272
第8 章 其他形式新能源的发电与应用技术 274
8.1 其他形式的新能源载体简介 274
8.1.1 水能简介 274
8.1.2 海洋能简介 275
8.1.3 地热能简介 276
8.2 水能与小水力发电技术 276
8.2.1 水力资源与水能的利用 276
8.2.2 水轮机及其工作原理 277
8.2.3 水力发电及其控制技术 282
8.3 海洋能的利用与发电技术 295
8.3.1 海洋能的分类与应用 295
8.3.2 海洋能发电原理与应用技术 299
8.3.3 海洋能发电的综合评价 312
8.4 地热能发电与应用技术 314
8.4.1 地热能概述 314
8.4.2 地热能发电原理与应用技术 316
本章小结 318
参考文献 320