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第1章 概论1

1.1发展历程2

1.2现代风力机4

1.3本书的概要6

参考文献7

第2章 风资源9

2.1风特性10

2.2风资源的地理变化11

2.3长期风速变化12

2.4年度和季度性变化12

2.5天气差异和昼夜差异14

2.6湍流15

2.6.1湍流的特性15

2.6.2边界层16

2.6.3湍流强度18

2.6.4湍流谱20

2.6.5长度尺度及其他参数22

2.6.6渐近限制23

2.6.7交叉谱和相干方程24

2.6.8湍流的曼恩模型26

2.7阵风速度27

2.8极端风速28

2.9风速预测与预报30

2.9.1统计方法30

2.9.2气象分析方法31

2.10风电场和尾流中的湍流32

2.11复杂地形的湍流34

参考文献34

第3章 水平轴风力机的空气动力学37

3.1引言38

3.2致动盘概念39

3.2.1动量定理40

3.2.2风能利用系数40

3.2.3贝兹极限41

3.2.4推力系数41

3.3风轮圆盘理论42

3.3.1旋转尾流42

3.3.2角动量定理43

3.3.3最大功率45

3.4致动盘的涡流柱模型46

3.4.1引言46

3.4.2涡流柱理论46

3.4.3附着涡环量和诱导速度的关系47

3.4.4根涡48

3.4.5转矩和功率48

3.4.6轴向流场49

3.4.7切向流场49

3.4.8轴向推力50

3.4.9径向流场51

3.4.10结论52

3.5风轮叶片理论52

3.5.1引言52

3.5.2叶素理论53

3.5.3叶素/动量（BEM）定理54

3.5.4风轮转矩和功率的确定56

3.6气体分离的动量定理57

3.6.1自由流/混合尾流57

3.6.2气流分离引起的风轮推力的修正58

3.6.3推力系数的经验确定59

3.7叶片几何特性60

3.7.1引言60

3.7.2变速运行时的优化设计60

3.7.3实际叶片设计63

3.7.4阻力对最佳叶片设计的影响65

3.7.5恒速运行时的最佳叶片设计67

3.8叶片数的影响68

3.8.1引言68

3.8.2叶尖损失68

3.8.3叶尖损失因子的Prandtl渐近法73

3.8.4叶根损失76

3.8.5叶尖损失对最佳叶片设计和功率的影响76

3.8.6计及叶尖损失的非最优运行80

3.8.7叶尖损失的不同解释81

3.9失速延迟82

3.10实际风力机的计算结果85

3.11性能曲线88

3.11.1引言88

3.11.2 CP-λ特性曲线89

3.11.3 叶片实度对功率特性的影响89

3.11.4 CQ-λ力矩曲线91

3.11.5 CT-λ推力曲线92

3.12恒速的运行情况92

3.12.1引言92

3.12.2 KP-1/λ特性曲线93

3.12.3失速调节93

3.12.4转速变化的影响94

3.12.5叶片桨距角变化的影响95

3.13变桨调节96

3.13.1引言96

3.13.2变桨到失速96

3.13.3变桨到顺桨96

3.14测量的特性曲线与理论的特性曲线的比较97

3.15变速运行99

3.16捕获能量的估计100

3.17风力机空气动力学设计104

3.17.1引言104

3.17.2 NREL翼型105

3.17.3 Ris？翼型106

3.17.4 Delft翼型108

参考文献109

附录A 翼型的升力和阻力111

A.1阻力定义111

A.2阻力系数113

A.3边界层114

A.4边界层的分离114

A.5层流和湍流边界层115

A.6升力定义及其与环流的关系117

A.7失速型翼型119

A.8升力系数120

A.9翼型阻力特性121

A.10有弯度的翼型123

第4章 深层次的风力机空气动力学主题127

4.1引言128

4.2稳定偏航的风力机的空气动力128

4.2.1风力机在固定偏航时的动量定理129

4.2.2风轮偏航的Glauert动量定理130

4.2.3偏航致动盘的涡流柱面模型133

4.2.4气流膨胀137

4.2.5相关理论141

4.2.6风力机风轮在固定偏航时的旋转尾流142

4.2.7风力机在固定偏航时的叶素理论143

4.2.8风力机在固定偏航时的叶素动量理论144

4.2.9诱导速度的计算值147

4.2.10风轮固定偏航时的叶片力148

4.2.11固定偏航时的偏航力矩和倾斜力矩149

4.3加速势方法151

4.3.1引言151

4.3.2 Kinner的通用压力分布理论153

4.3.3压力的轴对称分布155

4.3.4压力的反对称分布158

4.3.5 Pitt和Peters模型160

4.3.6通用加速势方法161

4.3.7各种方法的比较161

4.4非定常定流——动态入流162

4.4.1引言162

4.4.2非定常流中加速势方法的调整163

4.4.3非定常的偏航力矩和倾斜力矩165

4.5准定常翼型的空气动力学168

4.5.1引言168

4.5.2翼型加速度引起的气动力168

4.5.3非定常流中尾流对翼型空气动力的影响169

4.6动态失速173

4.7流体力学的计算174

参考文献175

第5章 水平轴风力机设计载荷177

5.1国家和国际标准178

5.1.1发展背景178

5.1.2 IEC 61400-1178

5.1.3 Germanischer Lloyd认证标准179

5.2载荷设计基础179

5.2.1载荷源179

5.2.2极限载荷179

5.2.3疲劳载荷180

5.2.4局部安全系数180

5.2.5控制和安全系统的功能181

5.3湍流与尾流181

5.4极限载荷183

5.4.1运行时载荷情况183

5.4.2非运行时载荷情况186

5.4.3叶片和塔架间距187

5.4.4阵风的约束随机模拟187

5.5疲劳载荷189

5.6叶片的静态载荷189

5.6.1升力与阻力系数189

5.6.2不同机组类型的关键设置189

5.6.3动态响应190

5.7运行中的叶片载荷197

5.7.1固定和随机载荷197

5.7.2固定的气动载荷197

5.7.3重力载荷204

5.7.4固定惯性载荷205

5.7.5随机气动载荷——频域分析207

5.7.6随机气动载荷——时域分析216

5.7.7极限载荷218

5.8叶片动态响应221

5.8.1模态分析221

5.8.2振形及频率223

5.8.3离心刚化作用223

5.8.4气动及结构阻尼225

5.8.5固定载荷的响应——逐步的动态分析227

5.8.6随机载荷响应230

5.8.7对模拟载荷的响应分析233

5.8.8摇摆运动233

5.8.9塔架的耦合238

5.8.10气动弹性稳定性242

5.9叶片的疲劳应力243

5.9.1叶片疲劳设计的方法243

5.9.2固定分量和随机分量的组合244

5.9.3频域内的疲劳估计245

5.9.4风力机仿真247

5.9.5疲劳循环计数247

5.10轮毂与低速轴载荷248

5.10.1引言248

5.10.2固定气动载荷248

5.10.3随机气动载荷249

5.10.4重力载荷252

5.11机舱载荷252

5.11.1来自叶轮的载荷252

5.11.2包层载荷253

5.12塔架载荷254

5.12.1极限载荷254

5.12.2极限载荷下的动态响应255

5.12.3稳定风速下的运行载荷（固定分量）256

5.12.4湍流下的运行载荷（随机分量）257

5.12.5运行载荷的动态响应260

5.12.6疲劳载荷及其应力261

5.13风力机动态分析规则262

5.14从仿真推测极限载荷268

5.14.1全局极值经验累积分布函数的推导268

5.14.2经验分布的拟合极值分布269

5.14.3极值分布的比较273

5.14.4概率分布组合275

5.14.5推断275

5.14.6聚合后拟合概率分布275

5.14.7局部极值方法275

5.14.8收敛要求276

参考文献278

附录B湍流风速下静止叶片的动态响应280

B.1引言280

B.2频域响应函数280

B.3忽略风速沿叶片变化的共振位移响应281

B.4湍流风速横向分布对共振位移响应的影响283

B.5叶根弯矩的共振286

B.6叶根弯矩的背景效应288

B.7峰值效应289

B.8叶片中部的弯矩291

参考文献291

第6章 水平轴风力机的概念设计293

6.1简介294

6.2风轮直径294

6.2.1成本模型294

6.2.2风力机大小最优化的简化成本模型实例295

6.2.3 NREL成本模型298

6.2.4整机尺寸增长299

6.2.5重力限制299

6.3风力机的容量300

6.3.1相对风轮直径优化风力机容量的简化成本模型300

6.3.2最佳额定风速与年平均风速的关系302

6.3.3风力机的比功率303

6.4风轮转速304

6.4.1风轮转速和实度的理想关系304

6.4.2转速对于叶片重量的影响304

6.4.3最佳风轮转速305

6.4.4对风轮转速的噪声限制305

6.4.5视觉考虑305

6.5叶片数量305

6.5.1引言305

6.5.2叶片数量、转速和实度的理想关系306

6.5.3某些性能和成本比较306

6.5.4叶片数量对载荷的影响310

6.5.5对风轮转速的噪声限制310

6.5.6视觉效果310

6.5.7单叶片风力机311

6.6摆动的结构311

6.6.1具有减小载荷的优点311

6.6.2大摆幅限制312

6.6.3变桨距和摆动耦合313

6.6.4失速调节型风力机的摆动稳定性314

6.7功率控制314

6.7.1被动失速控制314

6.7.2主动变桨距控制314

6.7.3被动变桨距控制318

6.7.4主动失速控制319

6.7.5偏航控制320

6.8制动系统321

6.8.1独立制动系统——标准要求321

6.8.2空气动力学制动方案321

6.8.3机械制动方案322

6.8.4停机和空转比较323

6.9恒速、双速或变速方案323

6.9.1双速方案323

6.9.2可变滑差方案325

6.9.3变速方案325

6.9.4变速方案的其他途径328

6.10发电机的类型328

6.10.1同步发电机的应用330

6.10.2直驱发电机330

6.10.3发电机系统的演变331

6.11传动链装配方案332

6.11.1低速轴装配332

6.11.2高速轴和发电机的装配336

6.12传动链的要求337

6.13风轮相对于塔架的位置338

6.13.1上风向布置338

6.13.2下风向布置338

6.14塔架的刚度339

6.14.1叶片穿越频率的随机推力载荷339

6.14.2叶片螺距误差引起的塔顶力矩波动340

6.14.3风轮重量不平衡产生的塔顶力矩波动340

6.14.4塔架刚度分类341

6.15人员安全和通道问题341

参考文献343

第7章 零部件设计345

7.1叶片346

7.1.1引言346

7.1.2空气动力设计346

7.1.3优化设计的修正347

7.1.4叶片结构的形成347

7.1.5叶片材料和属性349

7.1.6玻纤/聚醋和玻纤/环氧复合材料的性能351

7.1.7木材层压板的性能355

7.1.8叶片载荷概述358

7.1.9叶片谐振368

7.1.10抗屈曲设计372

7.1.11叶根的固定375

7.2变桨轴承377

7.3风轮轮毂379

7.4齿轮箱382

7.4.1引言382

7.4.2运行中的载荷的变化382

7.4.3传动链动力学特性384

7.4.4制动载荷384

7.4.5轮齿的疲劳设计中变载荷的影响385

7.4.6变载荷对轴承和转轴疲劳设计的影响388

7.4.7齿轮布置389

7.4.8齿轮箱噪声390

7.4.9齿轮箱的装配392

7.4.10润滑和冷却392

7.4.11齿轮箱效率393

7.5发电机393

7.5.1感应发电机393

7.5.2可变转差感应发电机395

7.5.3变速运行396

7.5.4使用双馈感应发电机（DFIG）的变速运行397

7.5.5使用全功率变流器（FPC）的变速运行399

7.6机械制动400

7.6.1制动任务400

7.6.2制动设计的主导因素401

7.6.3制动盘温升的计算402

7.6.4高速轴制动设计404

7.6.5两级制动406

7.6.6低速轴制动设计406

7.7机舱底盘407

7.8偏航驱动407

7.9塔架410

7.9.1引言410

7.9.2一阶模态固有频率的约束410

7.9.3钢制管状塔架411

7.9.4桁架式塔架419

7.10基础419

7.10.1板状基础419

7.10.2多桩基础421

7.10.3混凝土单桩基础421

7.10.4桁架式塔架基础422

7.10.5基础转动刚度422

参考文献423

第8章 控制器427

8.1风力机控制器的功能428

8.1.1整机运行状态控制428

8.1.2闭环控制429

8.1.3安全链429

8.2闭环控制：问题和目标431

8.2.1变桨距控制431

8.2.2失速控制432

8.2.3发电机转矩控制432

8.2.4偏航控制433

8.2.5控制器对载荷的影响434

8.2.6定义控制器的目标434

8.2.7 PI和PID控制器435

8.3闭环控制：通用技术436

8.3.1恒速变桨距风力发电机组的控制436

8.3.2变速变桨距风力发电机组的控制437

8.3.3变速风力发电机组的变桨距控制439

8.3.4转矩控制和变桨距控制间的切换439

8.3.5塔架振动控制441

8.3.6传动系统的扭转振动控制443

8.3.7变速失速调节445

8.3.8可变滑差风力发电机组的控制446

8.3.9独立变桨距控制447

8.3.10多变量控制——风力发电机组控制回路的解耦448

8.3.11独立变桨距控制的两轴解耦450

8.3.12独立变桨距控制载荷降低452

8.3.13独立变桨距控制的实现453

8.3.14独立变桨距控制的扩展455

8.3.15独立变桨距控制的商业用途456

8.3.16使用激光雷达的前馈控制456

8.4闭环控制：分析设计方法456

8.4.1经典设计方法457

8.4.2变桨距控制器的增益规则461

8.4.3在控制器中加入更多的项461

8.4.4经典控制器的其他扩展462

8.4.5最优化反馈方法463

8.4.6基于模型控制方法的利弊466

8.4.7其他方法467

8.5变桨距执行机构468

8.6控制系统的实现469

8.6.1离散化470

8.6.2抗积分饱和471

参考文献471

第9章 风力机安装和风电场475

9.1项目开发476

9.1.1初始选址477

9.1.2项目可行性评估478

9.1.3测量关联预测技术479

9.1.4微观选址479

9.1.5场址调研480

9.1.6公众咨询480

9.1.7计划申请的准备和提交480

9.2地形和视觉影响评估483

9.2.1地形特性评估485

9.2.2设计与改进/优化486

9.2.3效果评估487

9.2.4光影闪烁488

9.2.5社会学方面的考虑490

9.3噪声490

9.3.1术语和基本概念491

9.3.2风力机的噪声493

9.3.3风电场噪声的测量、预测和评估496

9.4电磁干扰499

9.4.1对风力发电机组EMI的建模和预测501

9.4.2航空雷达504

9.5生态评估506

参考文献509

第10章 风能和电力系统513

10.1引言514

10.1.1电力系统514

10.1.2配电网515

10.1.3发电和输电系统517

10.2风电场电力采集系统517

10.3风电场的接地520

10.4雷击保护523

10.5风力发电和配电网之间的连接526

10.6电力系统研究528

10.7电能质量529

10.7.1电压闪变532

10.7.2谐波534

10.7.3并网风力机电能质量特性测量和评估535

10.8电力保护536

10.8.1风电场和发电机保护538

10.8.2感应发电机的自激和孤岛现象540

10.8.3风力发电机与配电网络之间的接口保护541

10.9分布式发电和电网标准543

10.9.1电网标准——持续运行544

10.9.2电网标准——电压和功率因数控制544

10.9.3电网标准——频率响应545

10.9.4电网标准——故障穿越546

10.9.5合成惯性547

10.10风能与发电系统547

10.10.1容量信度548

10.10.2风能预报549

参考文献551

附录C风力发电机组之间连接的简单运算553

C.1标幺制553

C.2潮流、缓慢电压波动和电网损耗553

第11章 海上风力发电机组和风电场557

11.1海上风力发电的发展558

11.2海上风力资源560

11.2.1海上风力的结构560

11.2.2现场风速评估560

11.2.3海上风电场的尾流损失及阵列损失562

11.3设计载荷564

11.3.1国际标准564

11.3.2风况565

11.3.3海况566

11.3.4波谱567

11.3.5极限载荷：运行载荷情况及随行波候568

11.3.6极限载荷：非运行时载荷情况及随行波候574

11.3.7疲劳载荷577

11.3.8波理论578

11.3.9支撑结构上的波浪载荷585

11.3.10约束波597

11.3.11支撑结构载荷分析599

11.4整机尺寸优化601

11.5海上风力发电机组的可靠性602

11.6支撑结构606

11.6.1单桩606

11.6.2在频域中单桩疲劳分析612

11.6.3重力式基础626

11.6.4导管架结构630

11.6.5三脚架结构635

11.6.6三桩结构636

11.7海上风电场的环境评估637

11.8海上电力采集与传输640

11.8.1海上风电场传输641

11.8.2海底交流电缆系统644

11.8.3 HVDC传输647

11.9运行和进入649

参考文献651

附录D655

参考文献658

符号表661