新能源發(fā)電過程的動態(tài)建模、仿真和控制
定 價:89 元
叢書名:智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用叢書
- 作者:[英]蘭詹•文帕(Ranjan Vepa)
- 出版時間:2018/5/1
- ISBN:9787111597261
- 出 版 社:機械工業(yè)出版社
- 中圖法分類:TM61
- 頁碼:
- 紙張:膠版紙
- 版次:
- 開本:16開
本書討論了對一系列能源系統(tǒng)進行動態(tài)建模、仿真和控制的核心問題,包括燃氣輪機、風(fēng)力機、燃料電池和電池等。這些建模和控制原理也同樣適用于其他非常規(guī)發(fā)電系統(tǒng),如太陽能和波浪能發(fā)電。本書的主要特點在于,涉及了熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電化學(xué)、電網(wǎng)和電機等主題,并著重討論了它們在發(fā)電、控制和調(diào)節(jié)等領(lǐng)域的應(yīng)用。本書將幫助讀者理解能源系統(tǒng)的建模方法以應(yīng)用于控制器的設(shè)計,并掌握控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的基本設(shè)計過程。它也將對能源系統(tǒng)的動態(tài)仿真和監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)提供有益的指導(dǎo)。通過對可觀測系統(tǒng)變量的量測來估計系統(tǒng)內(nèi)部變量,從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)測。對于混合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計者們而言,本書也將提供有效的幫助。本書介紹了混合發(fā)電系統(tǒng)中涉及的先進技術(shù),例如浮動或近海風(fēng)力機以及燃料電池等。本書通過真實案例分析介紹了基于非線性動態(tài)模型的各種發(fā)電系統(tǒng)的實際控制規(guī)則,在這些控制規(guī)則中并不需要對非線性動態(tài)模型進行線性化。同時,本書還向讀者介紹了基于非線性模型的估計方法及其在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用。
本書特色:
1)突出基本原理。本書開篇即深入淺出地介紹了對于后續(xù)內(nèi)容理解所必需的電機、流體力學(xué)、熱力學(xué)以及傳熱學(xué)的基本知識。接著聚焦于這些原理在電力過程中的應(yīng)用,涵蓋所有電動機和發(fā)電機的基本原理和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。通過深入淺出的原理介紹,使得讀者對各類能源系統(tǒng),包括燃氣輪機、風(fēng)力機、燃料電池和電池等,都在基本原理層面有了深入、細致的了解。
2)非線性動態(tài)模型真實案例分析。本書通過真實案例分析介紹了基于非線性動態(tài)模型的各種發(fā)電系統(tǒng)的實際控制規(guī)則,在這些控制規(guī)則中并不需要對非線性動態(tài)模型進行線性化。此外,本書還向讀者介紹了基于非線性模型的估計方法及其在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用。
3)內(nèi)容全面、系統(tǒng)、實用。正如作者在原書前言中提到的那樣,本書匯集了一系列關(guān)于發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)節(jié)和控制等不同主題。
在過去的十年間,人們已經(jīng)見證了全世界化石燃料資源的逐漸枯竭,這促使人們更加迫切要求提高電力生產(chǎn)及利用的效率,而且人們關(guān)注的重點逐漸轉(zhuǎn)向風(fēng)能、太陽能、水能等不會造成環(huán)境污染的可再生能源的利用。這種迫切需求促使了一系列基于自動控制技術(shù)的應(yīng)用,以盡可能最優(yōu)地將能源向其可利用形式轉(zhuǎn)化。為了在能量生產(chǎn)過程中應(yīng)用現(xiàn)代自動控制器設(shè)計技術(shù),必須要對能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程中最重要的環(huán)節(jié)進行有效的建模。而這種建模不僅方便了自動控制系統(tǒng)的設(shè)計,以用于調(diào)節(jié)能量的生產(chǎn)過程,而且有利于確保該系統(tǒng)運行于最佳效率。此外,它將便于利用現(xiàn)代估計方法對相關(guān)系統(tǒng)變量進行持續(xù)監(jiān)測。
本書涉及一系列關(guān)鍵問題,包括動態(tài)建模、仿真和某些能源系統(tǒng)的控制問題,例如燃氣輪機、風(fēng)力機、燃料電池和電池等。這些建模和控制的原理也同樣適用于其他非常規(guī)發(fā)電方法,如太陽能和波浪能。本書的主要特點在于,它匯集了一系列關(guān)于發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)節(jié)和控制等不同主題。
本書幫助讀者掌握能源系統(tǒng)的建模方法,以實現(xiàn)控制器的設(shè)計,并理解控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的基本設(shè)計過程。它也將對能源系統(tǒng)的動態(tài)仿真和監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)提供有益的指導(dǎo),即通過對可觀測系統(tǒng)變量的量測來估計系統(tǒng)內(nèi)部變量,從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)測。
本書的一個核心特征是,它匯集了熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電化學(xué)、電網(wǎng)和電機等主題,并著重討論了它們在發(fā)電、控制和調(diào)節(jié)等領(lǐng)域的應(yīng)用。它也將為混合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計提供有效幫助,書中介紹了混合發(fā)電系統(tǒng)所涉及的先進技術(shù),例如浮動或近海風(fēng)力機以及燃料電池等。本書通過真實案例分析介紹了基于非線性動態(tài)模型的各種發(fā)電系統(tǒng)的實際控制規(guī)則,在這些控制規(guī)則中并不需要對非線性動態(tài)模型進行線性化。本書還向讀者介紹了基于非線性模型的估計方法及其在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用。
本書的第1章介紹了對于理解后續(xù)第3~8章內(nèi)容所必需的電機、流體力學(xué)、熱力學(xué)以及傳熱的基本原理。第2章的主題是能量向可利用的電能形式轉(zhuǎn)換的原理,第2章還涵蓋了所有電動機和發(fā)電機的基本原理。此外,第2章還有一節(jié)關(guān)于電動機的擴展部分,這是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。第3章的重點是交流電機的動態(tài)特征,主要介紹感應(yīng)和同步發(fā)電機的特性。第4章著重于風(fēng)力發(fā)電,包括典型的水平軸線風(fēng)力機的部件,風(fēng)力發(fā)電的基本原理,風(fēng)場的特性和范圍,以及風(fēng)輪、塔、浮子或支撐結(jié)構(gòu)的動態(tài)特征。第5章涉及燃氣輪機和壓縮機的動態(tài)建模,包括燃燒室、渦輪機、噴嘴和擴散器。第6章是關(guān)于燃料電池的電化模型,第7章介紹了高性能電池。最后一章主要討論了非常規(guī)發(fā)電方法。
我要感謝我的同事,以及過去和現(xiàn)在那些在倫敦大學(xué)工程與材料科學(xué)學(xué)院的學(xué)生對我的支持。
新能源發(fā)電過程中的動態(tài)建模、仿真及控制原 書 前 言我要感謝我的妻子Sudha,感謝她的愛、她的理解和耐心。她的鼓勵是激勵我完成本書的主要動力。我還想感謝我們的孩子Lullu、Satvi和Abhinav,感謝她們在本書撰寫過程中對我的理解。
RVepa
Ranjan Vepa博士畢業(yè)于斯坦福大學(xué),獲應(yīng)用力學(xué)博士學(xué)位,曾在NASA Langley研究中心工作,現(xiàn)就職于倫敦大學(xué)。Vepa博士在動態(tài)建模和控制領(lǐng)域有5本著作,他的主要研究領(lǐng)域包括控制系統(tǒng)設(shè)計及相關(guān)信號處理在機械系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)工程等方面的應(yīng)用,尤其精通各類線性及非線性動態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的自適應(yīng)估計和動態(tài)控制,包括航天、能源和生物系統(tǒng)等。正是Vepa博士扎實的學(xué)術(shù)和工業(yè)背景,使得他既能從熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電化學(xué)等的基礎(chǔ)知識出發(fā),從物理角度為讀者詳盡而系統(tǒng)地分析、介紹能源系統(tǒng)的基本原理,又能從實際應(yīng)用角度,通過真實案例分析給讀者以建議和指導(dǎo)
目錄
譯者序
原書前言
縮略語
第1章 發(fā)電基本原理介紹1
1.1流體力學(xué)1
1.1.1質(zhì)量、動量和能量守恒1
1.1.2應(yīng)力應(yīng)變率和黏度的關(guān)系3
1.1.3理想氣體和聲波4
1.1.4參考狀態(tài)6
1.1.5正則沖擊波關(guān)系式7
1.1.6一維流動:Rayleigh流8
1.1.7一維流動:Fanno流13
1.1.8準(zhǔn)一維流15
1.1.9傾斜沖擊波18
1.1.10 Prandtl-Meyer流20
1.2熱力學(xué)22
1.2.1熱力學(xué)第零定律24
1.2.2熱力學(xué)第一定律24
1.2.3熱力學(xué)第二和第三定律24
1.2.4在實際氣體中做功所需的熱量25
1.2.5自發(fā)過程和熱力學(xué)勢25
1.2.6可逆性、能量和循環(huán)27
1.2.7第二定律的應(yīng)用28
1.2.8基本發(fā)電循環(huán)29
1.2.9熱傳遞:傳導(dǎo)、輻射、對流熱傳遞30
1.3電化學(xué):簡介33
1.3.1燃料電池?zé)崃W(xué)34
1.3.2電極電化學(xué)35
1.3.3 Gibbs勢能變化37
1.3.4燃料電池效率38
1.3.5電極超電位38
1.3.6半電池電極示例40
1.3.7鹽橋40
1.3.8電極和電池的類型41
1.3.9蓄電池和燃料電池示例41
參考文獻44
第2章 能量轉(zhuǎn)換原理45
2.1發(fā)電機和電動機的初步概念45
2.1.1簡介45
2.1.2發(fā)電機和電動機的基本運行原理45
2.2電機:直流電動機46
2.2.1直流電動機的負(fù)荷49
2.2.2直流電動機的分類49
2.3交流電動機50
2.3.1同步電動機50
2.3.2同步電動機的分類50
2.3.3同步電動機的運轉(zhuǎn)50
2.3.4同步電動機的負(fù)荷52
2.3.5感應(yīng)電動機54
2.3.6交流伺服電動機55
2.3.7交流轉(zhuǎn)速計57
2.4無刷直流電動機57
2.5步進式直流電動機59
2.6高性能電動制動器的設(shè)計與開發(fā)60
2.7驅(qū)動直流電動機:直流電動機的速度控制60
2.7.1控制直流電動機:位置控制伺服60
2.8驅(qū)動和控制交流電動機66
2.9電動伺服制動器的穩(wěn)定性68
2.9.1勞斯表法71
2.10發(fā)電機71
2.10.1同步交流發(fā)電機72
2.10.2同步交流發(fā)電機的動態(tài)建模72
2.10.3感應(yīng)交流發(fā)電機75
2.11電力系統(tǒng)77
2.11.1電力系統(tǒng)穩(wěn)定性77
2.11.2輸電線路79
2.11.3變壓器82
2.11.4功率因數(shù)提升83
參考文獻84
第3章 同步和感應(yīng)發(fā)電機的建模85
3.1建模的通用原理:Park變換和應(yīng)用85
3.2勵磁同步發(fā)電機89
3.3等效電路模型90
3.4具有磁場定向的永磁同步發(fā)電機的機電模型90
3.5勵磁同步發(fā)電機的應(yīng)用93
3.5.1典型勵磁器的建模95
3.5.2模型參數(shù)的計算96
3.6同步發(fā)電機的性能特性97
3.7感應(yīng)發(fā)電機的動態(tài)建模98
3.7.1等效電路建模99
3.7.2感應(yīng)發(fā)電機模型的參數(shù)計算100
3.7.3感應(yīng)發(fā)電機特性以及參數(shù)的實驗測定101
3.8 DFIG:實例分析101
3.8.1穩(wěn)態(tài)機電模型104
3.8.2非線性擾動動力學(xué)105
參考文獻107
第4章 風(fēng)力發(fā)電和控制108
4.1簡介108
4.2風(fēng)力機組件108
4.3風(fēng)力機空氣動力學(xué):動量理論108
4.3.1致動器盤原理109
4.3.2貝茲極限110
4.3.3流旋轉(zhuǎn)的影響111
4.4葉素動量理論112
4.4.1功率因數(shù):BEM理論表達式114
4.5葉片的氣動設(shè)計115
4.6葉片結(jié)構(gòu)動力學(xué)117
4.7風(fēng)輪空氣彈性變形的動態(tài)建模126
4.7.1多葉片坐標(biāo)系128
4.7.2多葉片坐標(biāo)系里的運動方程129
4.7.3扭轉(zhuǎn)模式的離心固化130
4.7.4基于葉素理論的空氣動力力矩131
4.7.5流入動力學(xué)133
4.7.6驅(qū)動流入中心的力矩133
4.7.7風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù):一般表達式136
4.7.8風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù):在不斷流入和有穩(wěn)定根間距的剛性葉片的情況下137
4.8實際的功率因數(shù)和它依靠在葉片安裝上的角度138
4.9最大功率點跟蹤和防止過度風(fēng)轉(zhuǎn)矩140
4.10柔性風(fēng)輪葉片上的準(zhǔn)穩(wěn)定氣動負(fù)載143
4.11彈性風(fēng)輪葉片的動力學(xué)和氣動力彈性學(xué)146
4.12風(fēng)場速度分布和譜148
4.13支撐結(jié)構(gòu)150
4.13.1塔動力學(xué)和氣動伺服彈性150
4.13.2海上和浮動支撐結(jié)構(gòu)151
4.13.3水動力和水下冰荷載152
4.13.4浮體動力學(xué)及波流體動力學(xué)156
4.13.5浮子-風(fēng)輪被動及主動解耦控制158
參考文獻159
第5章 燃氣輪機和壓縮機的動態(tài)模型163
5.1燃氣輪機:典型組成和動態(tài)模型163
5.2軸流壓縮機系統(tǒng):一維管道模型168
5.2.1激盤理論168
5.3 Moore-Greitzer模型168
5.3.1壓縮機喘振和旋轉(zhuǎn)失速169
5.3.2 Moore-Greitzer模型方程式的推導(dǎo)172
5.3.3 Moore-Greitzer模型方程174
5.3.4穩(wěn)定流分析176
5.3.5不穩(wěn)定非線性擴展Moore-Greitzer模型177
5.3.6旋轉(zhuǎn)失速振動應(yīng)用179
5.3.7模型響應(yīng)和不穩(wěn)定性180
5.3.8節(jié)流閥調(diào)整的控制規(guī)則184
5.3.9旋轉(zhuǎn)失速振動強度控制184
5.3.10控制均衡的穩(wěn)定性185
5.3.11壓縮旋轉(zhuǎn)失速控制188
5.4燃燒188
5.4.1燃燒室189
5.4.2燃燒室空氣聲學(xué)190
5.4.3流量耦合熱聲不穩(wěn)定:POGO、嗡鳴、功率振蕩和嘯叫193
5.5整體噴氣發(fā)動機體積動力學(xué)建模194
5.5.1壓縮機模型196
5.5.2燃燒室子系統(tǒng)模型199
5.5.3渦輪動力學(xué)模型200
5.5.4渦輪動力和轉(zhuǎn)矩輸出203
5.5.5一維可變面積導(dǎo)管:后燃器和噴嘴203
5.5.6線軸動力學(xué)模擬205
5.5.7典型模擬結(jié)果205
5.6 FADEC205
參考文獻206
第6章 燃料電池的建模與仿真209
6.1燃料電池系統(tǒng)209
6.2燃料電池的熱力學(xué)和電化學(xué)211
6.2.1燃料電池的熱力學(xué)211
6.2.2燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)和電催化作用212
6.3氫氣的產(chǎn)生、存儲與擴散213
6.4燃料電池堆的配置和燃料電池系統(tǒng)214
6.5面向控制的建模和動力學(xué)215
6.6 PEMFC的