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作者簡介
目次
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海洋可再生能源完全綠色、 無溫室氣體排放，儲量豐富，分佈廣泛。政府間氣候變化專門委員會與國際能源署的報告均指出，海洋能將成為未來可再生能源供給中的重要組成部分，在應對全球氣候變化與傳統化石能源衰竭等方面都將發揮重要作用。海洋能屬新興產業，發展迅速。預計在未來10～20年中，歐洲、美國、亞洲與南美洲都將出現吉瓦級的商業化項目。
《海洋波浪與潮流能電氣系統設計》從電氣工程師的角度出發，主要針對離岸波浪能與潮流能發電場並網與輸配電問題展開內容，涉及發電機的選擇與功率定級、電力存儲、臍帶纜與陣列佈置、數值建模與仿真技術、控制理論與實現策略、電力系統及海洋能電氣系統的經濟問題等。
《海洋波浪與潮流能電氣系統設計》從電氣工程師的角度出發，主要針對離岸波浪能與潮流能發電場並網與輸配電問題展開內容，涉及發電機的選擇與功率定級、電力存儲、臍帶纜與陣列佈置、數值建模與仿真技術、控制理論與實現策略、電力系統及海洋能電氣系統的經濟問題等。
作者簡介
雷‧阿爾科姆，時任愛爾蘭科克大學水利與海洋研究中心執行主任。愛爾蘭海洋能產業協會秘書長。
目次
譯者序
原書前言
致謝
貢獻者名單
第1章 引言1
第2章海洋能裝置中的發電機3
2.1引言3
2.2發電機傳動系選擇綜述4
2.2.1定速方案4
2.2.2變速方案5
2.3 海洋能裝置發電機功能綜述6
2.3.1能量轉換7
2.3.2原動機效率優化7
2.3.3功率平滑7
2.3.4裝置阻尼控制7
2.4波浪能系統中的發電機8
2.4.1電刷運行8
2.4.2運行與維護8
2.4.3腐蝕環境10
2.4.4機械問題10
2.4.5波浪能裝置需求分類10
2.5潮流能系統中的發電機12
2.5.1潮流與潮流能轉換裝置特徵13
2.5.2發電機系統規格16
2.6海洋能裝置發電機控制的電力電子學19
2.6.1全橋變速配置中背靠背變流器的控制19
2.6.2發電機側變流器控制20
2.6.3電網側變流器控制24
2.6.4變速驅動的容錯運行28
2.7結論30
2.8參考文獻30
第3章 臍帶纜與陣列佈置35
3.1並網佈置界定35
3.1.1引言35
3.1.2一般要求與制約因素36
3.1.3陣列佈置界定38
3.1.4輸電方案42
3.1.5輸電模型44
3.1.6輸電效率46
3.1.7輸電電纜設計49
3.2並網基礎設施工程50
3.2.1連接點界定51
3.2.2並網基礎設施組成52
3.2.3連接單元的概念性替代方案53
3.3動態電纜與連接器設計60
3.3.1參考標準與指南60
3.3.2典型海底電纜的組成61
3.3.3臍帶纜組件的初步界定與設計65
3.3.4臍帶纜的力學模型與驗證75
3.3.5海洋能裝置的連接器78
3.3.6輔助組件79
3.3.7臍帶纜連接的動力學分析82
3.3.8建議與結論85
3.4參考文獻85
第4章並網（第一部分）：電力系統與波浪能裝置的相互作用90
4.1引言90
4.2波浪能發電與電網之間的相互作用90
4.2.1發電功率特性91
4.2.2離岸與近岸的高壓交流輸電92
4.2.3功率平滑93
4.2.4儲能設備影響95
4.2.5功率振盪對保護設備的影響95
4.2.6功率振盪對電壓的影響97
4.2.7無功功率控制98
4.2.8功率振盪對頻率的影響98
4.2.9調速器控制102
4.3海洋能系統離網運行104
4.3.1偏遠地區電氣化系統方案104
4.3.2原型裝置的離網測試系統105
4.4結論105
4.5參考文獻106
第5章並網（第二部分）：電能質量108
5.1波形的電能質量108
5.1.1引言108
5.1.2電壓108
5.1.3頻率116
5.1.4長時間中斷117
5.2供電電能質量118
5.2.1接地/中性點處理118
5.2.2電壓控制與支撐118
5.2.3功率輸出可控性118
5.2.4頻率備用響應120
5.2.5低電壓故障穿越121
5.2.6黑啟動能力123
5.2.7抄表/遙測與遙控123
5.2.8電網運營商的斷網權123
5.3指南與標準124
5.3.1引言124
5.3.2國際標準125
5.3.3英國標準127
5.4結論127
5.5參考文獻128
第6章並網（第三部分）：案例研究130
6.1引言130
6.2案例研究：潮流能SeaGen裝置130
6.2.1引言130
6.2.2測試方法132
6.2.3SeaGen裝置與類似風機的電能質量性能對比138
6.2.4結論141
6.3案例研究：波浪能141
6.3.1引言141
6.3.2點吸收式波浪能陣列場對BIMEP與AMETS局地電網的影響142
6.3.3將閃變等級視為測試場短路特徵函數的分析150
6.4波浪能容量161
6.4.1容量因子與容量值: 發電系統測量的充分性161
6.4.2容量值計算163
6.4.3實例研究：愛爾蘭164
6.5參考文獻170
第7章電能存儲系統175
7.1引言175
7.2儲能動機175
7.2.1功率平滑175
7.2.2低電壓穿越 (LVRT)177
7.2.3輔助服務177
7.3儲能系統的應用方式177
7.3.1波浪能陣列場應用儲能系統的方法178
7.3.2儲能系統在單台波浪能發電裝置中的應用178
7.3.3離岸WEC電功率攝取系統中的儲能策略182
7.4電能存儲――技術描述183
7.4.1超導磁儲能 (SMES)183
7.4.2電池184
7.4.3超級電容184
7.4.4電容184
7.4.5技術比較185
7.5儲能系統（ESS）實例研究186
7.6電儲能相關問題193
7.6.1循環法194
7.6.2老化模型202
7.7根據性能準則確定電容規模203
7.7.1平滑質量準則203
7.8參考文獻209
第8章 控制系統――設計與實現214
8.1控制方案概述214
8.1.1引言214
8.1.2什麼是控制215
8.1.3海洋能中的控制系統220
8.1.4結論222
8.2控制策略對潮流能裝置中電氣系統設計的影響222
8.2.1潮流能攝取的通用控制策略223
8.2.2定速變槳潮流能發電機224
8.2.3變速定槳水輪機224
8.2.4潮流能水輪機控制226
8.3控制策略對波浪能裝置中電氣系統的影響230
8.3.1引言230
8.3.2控制方案與WEC電氣系統的關係230
8.3.3效率對功率攝取的影響235
8.3.4討論237
8.4參考文獻237
第9章 建模與仿真技術244
9.1潮流能發電裝置的全過程建模244
9.1.1建模需求245
9.1.2資源建模246
9.1.3水平軸水輪機水動力學模型247
9.1.4傳動系模型248
9.1.5發電機模型250
9.1.6系統全域模型251
9.2波浪能發電裝置的全過程建模252
9.2.1性能分析252
9.2.2並網分析254
9.3電力系統動態模型255
9.3.1電力系統的動態模型255
9.3.2模型開發與分析256
9.3.3風電產業經驗258
9.3.4海洋能產業需求260
9.4參考文獻261
第10章 海洋能電氣系統經濟學264
10.1海洋能電氣系統的經濟學挑戰與優化264
10.1.1海洋能電氣系統簡介與組成264
10.1.2電氣系統組件的預期成本265
10.1.3海洋能電氣系統的經濟挑戰266
10.1.4海洋能電氣系統的技術經濟優化269
原書前言
致謝
貢獻者名單
第1章 引言1
第2章海洋能裝置中的發電機3
2.1引言3
2.2發電機傳動系選擇綜述4
2.2.1定速方案4
2.2.2變速方案5
2.3 海洋能裝置發電機功能綜述6
2.3.1能量轉換7
2.3.2原動機效率優化7
2.3.3功率平滑7
2.3.4裝置阻尼控制7
2.4波浪能系統中的發電機8
2.4.1電刷運行8
2.4.2運行與維護8
2.4.3腐蝕環境10
2.4.4機械問題10
2.4.5波浪能裝置需求分類10
2.5潮流能系統中的發電機12
2.5.1潮流與潮流能轉換裝置特徵13
2.5.2發電機系統規格16
2.6海洋能裝置發電機控制的電力電子學19
2.6.1全橋變速配置中背靠背變流器的控制19
2.6.2發電機側變流器控制20
2.6.3電網側變流器控制24
2.6.4變速驅動的容錯運行28
2.7結論30
2.8參考文獻30
第3章 臍帶纜與陣列佈置35
3.1並網佈置界定35
3.1.1引言35
3.1.2一般要求與制約因素36
3.1.3陣列佈置界定38
3.1.4輸電方案42
3.1.5輸電模型44
3.1.6輸電效率46
3.1.7輸電電纜設計49
3.2並網基礎設施工程50
3.2.1連接點界定51
3.2.2並網基礎設施組成52
3.2.3連接單元的概念性替代方案53
3.3動態電纜與連接器設計60
3.3.1參考標準與指南60
3.3.2典型海底電纜的組成61
3.3.3臍帶纜組件的初步界定與設計65
3.3.4臍帶纜的力學模型與驗證75
3.3.5海洋能裝置的連接器78
3.3.6輔助組件79
3.3.7臍帶纜連接的動力學分析82
3.3.8建議與結論85
3.4參考文獻85
第4章並網（第一部分）：電力系統與波浪能裝置的相互作用90
4.1引言90
4.2波浪能發電與電網之間的相互作用90
4.2.1發電功率特性91
4.2.2離岸與近岸的高壓交流輸電92
4.2.3功率平滑93
4.2.4儲能設備影響95
4.2.5功率振盪對保護設備的影響95
4.2.6功率振盪對電壓的影響97
4.2.7無功功率控制98
4.2.8功率振盪對頻率的影響98
4.2.9調速器控制102
4.3海洋能系統離網運行104
4.3.1偏遠地區電氣化系統方案104
4.3.2原型裝置的離網測試系統105
4.4結論105
4.5參考文獻106
第5章並網（第二部分）：電能質量108
5.1波形的電能質量108
5.1.1引言108
5.1.2電壓108
5.1.3頻率116
5.1.4長時間中斷117
5.2供電電能質量118
5.2.1接地/中性點處理118
5.2.2電壓控制與支撐118
5.2.3功率輸出可控性118
5.2.4頻率備用響應120
5.2.5低電壓故障穿越121
5.2.6黑啟動能力123
5.2.7抄表/遙測與遙控123
5.2.8電網運營商的斷網權123
5.3指南與標準124
5.3.1引言124
5.3.2國際標準125
5.3.3英國標準127
5.4結論127
5.5參考文獻128
第6章並網（第三部分）：案例研究130
6.1引言130
6.2案例研究：潮流能SeaGen裝置130
6.2.1引言130
6.2.2測試方法132
6.2.3SeaGen裝置與類似風機的電能質量性能對比138
6.2.4結論141
6.3案例研究：波浪能141
6.3.1引言141
6.3.2點吸收式波浪能陣列場對BIMEP與AMETS局地電網的影響142
6.3.3將閃變等級視為測試場短路特徵函數的分析150
6.4波浪能容量161
6.4.1容量因子與容量值: 發電系統測量的充分性161
6.4.2容量值計算163
6.4.3實例研究：愛爾蘭164
6.5參考文獻170
第7章電能存儲系統175
7.1引言175
7.2儲能動機175
7.2.1功率平滑175
7.2.2低電壓穿越 (LVRT)177
7.2.3輔助服務177
7.3儲能系統的應用方式177
7.3.1波浪能陣列場應用儲能系統的方法178
7.3.2儲能系統在單台波浪能發電裝置中的應用178
7.3.3離岸WEC電功率攝取系統中的儲能策略182
7.4電能存儲――技術描述183
7.4.1超導磁儲能 (SMES)183
7.4.2電池184
7.4.3超級電容184
7.4.4電容184
7.4.5技術比較185
7.5儲能系統（ESS）實例研究186
7.6電儲能相關問題193
7.6.1循環法194
7.6.2老化模型202
7.7根據性能準則確定電容規模203
7.7.1平滑質量準則203
7.8參考文獻209
第8章 控制系統――設計與實現214
8.1控制方案概述214
8.1.1引言214
8.1.2什麼是控制215
8.1.3海洋能中的控制系統220
8.1.4結論222
8.2控制策略對潮流能裝置中電氣系統設計的影響222
8.2.1潮流能攝取的通用控制策略223
8.2.2定速變槳潮流能發電機224
8.2.3變速定槳水輪機224
8.2.4潮流能水輪機控制226
8.3控制策略對波浪能裝置中電氣系統的影響230
8.3.1引言230
8.3.2控制方案與WEC電氣系統的關係230
8.3.3效率對功率攝取的影響235
8.3.4討論237
8.4參考文獻237
第9章 建模與仿真技術244
9.1潮流能發電裝置的全過程建模244
9.1.1建模需求245
9.1.2資源建模246
9.1.3水平軸水輪機水動力學模型247
9.1.4傳動系模型248
9.1.5發電機模型250
9.1.6系統全域模型251
9.2波浪能發電裝置的全過程建模252
9.2.1性能分析252
9.2.2並網分析254
9.3電力系統動態模型255
9.3.1電力系統的動態模型255
9.3.2模型開發與分析256
9.3.3風電產業經驗258
9.3.4海洋能產業需求260
9.4參考文獻261
第10章 海洋能電氣系統經濟學264
10.1海洋能電氣系統的經濟學挑戰與優化264
10.1.1海洋能電氣系統簡介與組成264
10.1.2電氣系統組件的預期成本265
10.1.3海洋能電氣系統的經濟挑戰266
10.1.4海洋能電氣系統的技術經濟優化269
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