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)關鍵技術研究與應用叢書
- 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、流體力學、傳熱學、電化學、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)等領域的應用。本書將幫助讀者理解能源系統(tǒng)的建模方法以應用于控制器的設計，并掌握控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的基本設計過程。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。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，例如浮動或近海風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、熱力學以及傳熱學的基本知識。接著聚焦于這些原理在電力過程中的應用，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于發(fā)電系統(tǒng)的設計、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，而且人們關注的重點逐漸轉(zhuǎn)向風能、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的應用，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)過程中應用現(xiàn)代自動控制器設計技術，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)代估計方法對相關系統(tǒng)變量進行持續(xù)監(jiān)測。
本書涉及一系列關鍵問題，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，它匯集了一系列關于發(fā)電系統(tǒng)的設計、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)控制器的設計，并理解控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的基本設計過程。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，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、流體力學、傳熱學、電化學、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)等領域的應用。它也將為混合發(fā)電系統(tǒng)的設計提供有效幫助，書中介紹了混合發(fā)電系統(tǒng)所涉及的先進技術，例如浮動或近海風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、熱力學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)關于電動機的擴展部分，這是控制系統(tǒng)的關鍵要素。第3章的重點是交流電機的動態(tài)特征，主要介紹感應和同步發(fā)電機的特性。第4章著重于風力發(fā)電，包括典型的水平軸線風力機的部件，風力發(fā)電的基本原理，風場的特性和范圍，以及風輪、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)在那些在倫敦大學工程與材料科學學院的學生對我的支持。
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，獲應用力學博士學位，曾在NASA Langley研究中心工作，現(xiàn)就職于倫敦大學。Vepa博士在動態(tài)建模和控制領域有５本著作，他的主要研究領域包括控制系統(tǒng)設計及相關信號處理在機械系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、生物醫(yī)學工程等方面的應用，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博士扎實的學術和工業(yè)背景，使得他既能從熱力學、流體力學、傳熱學、電化學等的基礎知識出發(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，又能從實際應用角度，通過真實案例分析給讀者以建議和指導
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1
1.1.1質(zhì)量、動量和能量守恒1
1.1.2應力應變率和黏度的關系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22
1.2.1熱力學第零定律24
1.2.2熱力學第一定律24
1.2.3熱力學第二和第三定律24
1.2.4在實際氣體中做功所需的熱量25
1.2.5自發(fā)過程和熱力學勢25
1.2.6可逆性、能量和循環(huán)27
1.2.7第二定律的應用28
1.2.8基本發(fā)電循環(huán)29
1.2.9熱傳遞：傳導、輻射、對流熱傳遞30
1.3電化學：簡介33
1.3.1燃料電池熱力學34
1.3.2電極電化學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同步電動機的負荷52
2.3.5感應電動機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 同步和感應發(fā)電機的建模85
3.1建模的通用原理：Park變換和應用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感應發(fā)電機模型的參數(shù)計算100
3.7.3感應發(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105
參考文獻107
第4章 風力發(fā)電和控制108
4.1簡介108
4.2風力機組件108
4.3風力機空氣動力學：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葉片的氣動設計115
4.6葉片結(jié)構(gòu)動力學117
4.7風輪空氣彈性變形的動態(tài)建模126
4.7.1多葉片坐標系128
4.7.2多葉片坐標系里的運動方程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133
4.7.6驅(qū)動流入中心的力矩133
4.7.7風輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)：一般表達式136
4.7.8風輪轉(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轉(zhuǎn)矩140
4.10柔性風輪葉片上的準穩(wěn)定氣動負載143
4.11彈性風輪葉片的動力學和氣動力彈性學146
4.12風場速度分布和譜148
4.13支撐結(jié)構(gòu)150
4.13.1塔動力學和氣動伺服彈性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浮體動力學及波流體動力學156
4.13.5浮子-風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)失速振動應用179
5.3.7模型響應和不穩(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管：后燃器和噴嘴203
5.5.6線軸動力學模擬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燃料電池的熱力學和電化學211
6.2.1燃料電池的熱力學211
6.2.2燃料電池的電化學反應和電催化作用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215
6.6 PEMFC的
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