海洋波浪与潮流能电气系统设计

　　海洋可再生能源完全绿色、 无温室气体排放，储量丰富，分布广泛。政府间气候变化专门委员会与国际能源署的报告均指出，海洋能将成为未来可再生能源供给中的重要组成部分，在应对全球气候变化与传统化石能源衰竭等方面都将发挥重要作用。海洋能属于新兴产业，发展迅速。预计在未来10～20年中，欧洲、美国、亚洲与南美洲都将出现吉瓦级的商业化项目。《海洋波浪与潮流能电气系统设计》从电气工程师的角度出发，主要针对离岸波浪能与潮流能发电场并网与输配电问题展开内容，涉及发电机的选择与功率定级、电力存储、脐带缆与阵列布置、数值建模与仿真技术、控制理论与实现策略、电力系统及海洋能电气系统的经济问题等。

　　Ray Alcorn博士，时任爱尔兰科克大学水利与海洋研究中心执行主任，该中心的研究覆盖波浪、潮流与海上风能的各个应用领域。Alcorn博士从15年前电气工程本科阶段学习开始接触海洋能，在研究生阶段加入了贝尔法斯特女王大学的海洋能团队。他后来进入工业界，主要从事全尺度波浪能电站的设计、投放与运行维护。Alcorn博士加入爱尔兰海洋能产业协会后，一直担任秘书长至今。目前，他还作为国际能源署海洋能系统（IEA-OES）的专家负责执行相关协议，以及国际电工委员会（IEC）专家团成员编制海洋能领域标准。 Dara O'Sullivan，作为爱尔兰科克大学水利与海洋研究中心高级博士后研究人员，主要负责海洋能开发、功率变换与控制、电动机控制与并网电力电子技术中的电力学部分。他作为电力系统与并网方面的专家，参与了国际能源署海洋能系统协议执行与国际电工委员会的海洋能标准编制。他在开发世界上个波浪能与潮流能电力系统的动态并网模型中发挥了重要作用。

译者序
原书前言
致谢
贡献者名单
第1章 引言1
第2章海洋能装置中的发电机3
2.1引言3
2.2发电机传动系选择综述4
2.2.1定速方案4
2.2.2变速方案5
2.3 海洋能装置发电机功能综述6
2.3.1能量转换7
2.3.2原动机效率优化7
2.3.3功率平滑7
2.3.4装置阻尼控制7
2.4波浪能系统中的发电机8
2.4.1电刷运行8
2.4.2运行与维护8
2.4.3腐蚀环境10
2.4.4机械问题10
2.4.5波浪能装置需求分类10
2.5潮流能系统中的发电机12
2.5.1潮流与潮流能转换装置特征13
2.5.2发电机系统规格16
2.6海洋能装置发电机控制的电力电子学19
2.6.1全桥变速配置中背靠背变流器的控制19
2.6.2发电机侧变流器控制20
2.6.3电网侧变流器控制24
2.6.4变速驱动的容错运行28
2.7结论30
2.8参考文献30
第3章 脐带缆与阵列布置35
3.1并网布置界定35
3.1.1引言35
3.1.2一般要求与制约因素36
3.1.3阵列布置界定38
3.1.4输电方案42
3.1.5输电模型44
3.1.6输电效率46
3.1.7输电电缆设计49
3.2并网基础设施工程50
3.2.1连接点界定51
3.2.2并网基础设施组成52
3.2.3连接单元的概念性替代方案53
3.3动态电缆与连接器设计60
3.3.1参考标准与指南60
3.3.2典型海底电缆的组成61
3.3.3脐带缆组件的初步界定与设计65
3.3.4脐带缆的力学模型与验证75
3.3.5海洋能装置的连接器78
3.3.6辅助组件79
3.3.7脐带缆连接的动力学分析82
3.3.8建议与结论85
3.4参考文献85
第4章并网（第一部分）：电力系统与波浪能装置的相互作用90
4.1引言90
4.2波浪能发电与电网之间的相互作用90
4.2.1发电功率特性91
4.2.2离岸与近岸的高压交流输电92
4.2.3功率平滑93
4.2.4储能设备影响95
4.2.5功率振荡对保护设备的影响95
4.2.6功率振荡对电压的影响97
4.2.7无功功率控制98
4.2.8功率振荡对频率的影响98
4.2.9调速器控制102
4.3海洋能系统离网运行104
4.3.1偏远地区电气化系统方案104
4.3.2原型装置的离网测试系统105
4.4结论105
4.5参考文献106
第5章并网（第二部分）：电能质量108
5.1波形的电能质量108
5.1.1引言108
5.1.2电压108
5.1.3频率116
5.1.4长时间中断117
5.2供电电能质量118
5.2.1接地/中性点处理118
5.2.2电压控制与支撑118
5.2.3功率输出可控性118
5.2.4频率备用响应120
5.2.5低电压故障穿越121
5.2.6黑启动能力123
5.2.7抄表/遥测与遥控123
5.2.8电网运营商的断网权123
5.3指南与标准124
5.3.1引言124
5.3.2国际标准125
5.3.3英国标准127
5.4结论127
5.5参考文献128
第6章并网（第三部分）：案例研究130
6.1引言130
6.2案例研究：潮流能SeaGen装置130
6.2.1引言130
6.2.2测试方法132
6.2.3SeaGen装置与类似风机的电能质量性能对比138
6.2.4结论141
6.3案例研究：波浪能141
6.3.1引言141
6.3.2点吸收式波浪能阵列场对BIMEP与AMETS局地电网的影响142
6.3.3将闪变等级视为测试场短路特征函数的分析150
6.4波浪能容量161
6.4.1容量因子与容量值: 发电系统测量的充分性161
6.4.2容量值计算163
6.4.3实例研究：爱尔兰164
6.5参考文献170
第7章电能存储系统175
7.1引言175
7.2储能动机175
7.2.1功率平滑175
7.2.2低电压穿越 (LVRT)177
7.2.3辅助服务177
7.3储能系统的应用方式177
7.3.1波浪能阵列场应用储能系统的方法178
7.3.2储能系统在单台波浪能发电装置中的应用178
7.3.3离岸WEC电功率摄取系统中的储能策略182
7.4电能存储——技术描述183
7.4.1超导磁储能 (SMES)183
7.4.2电池184
7.4.3超级电容184
7.4.4电容184
7.4.5技术比较185
7.5储能系统（ESS）实例研究186
7.6电储能相关问题193
7.6.1循环法194
7.6.2老化模型202
7.7根据性能准则确定电容规模203
7.7.1平滑质量准则203
7.8参考文献209
第8章 控制系统——设计与实现214
8.1控制方案概述214
8.1.1引言214
8.1.2什么是控制215
8.1.3海洋能中的控制系统220
8.1.4结论222
8.2控制策略对潮流能装置中电气系统设计的影响222
8.2.1潮流能摄取的通用控制策略223
8.2.2定速变桨潮流能发电机224
8.2.3变速定桨水轮机224
8.2.4潮流能水轮机控制226
8.3控制策略对波浪能装置中电气系统的影响230
8.3.1引言230
8.3.2控制方案与WEC电气系统的关系230
8.3.3效率对功率摄取的影响235
8.3.4讨论237
8.4参考文献237
第9章 建模与仿真技术244
9.1潮流能发电装置的全过程建模244
9.1.1建模需求245
9.1.2资源建模246
9.1.3水平轴水轮机水动力学模型247
9.1.4传动系模型248
9.1.5发电机模型250
9.1.6系统全局模型251
9.2波浪能发电装置的全过程建模252
9.2.1性能分析252
9.2.2并网分析254
9.3电力系统动态模型255
9.3.1电力系统的动态模型255
9.3.2模型开发与分析256
9.3.3风电产业经验258
9.3.4海洋能产业需求260
9.4参考文献261
第10章 海洋能电气系统经济学264
10.1海洋能电气系统的经济学挑战与优化264
10.1.1海洋能电气系统简介与组成264
10.1.2电气系统组件的预期成本265
10.1.3海洋能电气系统的经济挑战266
10.1.4海洋能电气系统的技术经济优化269