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第1章　概述1

1.1　发展历程2

1.2　现代风力机6

1.3　本书的概要7

第2章　风资源11

2.1 风特性12

2.2　风资源的地理变化13

2.3　长期风速变化14

2.4　年度和季度性变化14

2.5　天气差异和昼夜差异16

2.6 湍流17

2.6.1 湍流的特性17

2.6.2 边界层18

2.6.3 湍流强度20

2.6.4 湍流谱21

2.6.5 长度尺度及其他参数22

2.6.6 交叉谱和相干方程25

2.7 阵风速度27

2.8　极端风速28

2.8.1 极端风况的标准29

2.9 风速预测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

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41

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44

3.3.4 尾流结构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47

3.4.3 附着涡环量和诱导速度的关系47

3.4.4 根旋涡48

3.4.5 转矩和功率49

3.4.6 轴向流场49

3.4.7 切向流场50

3.4.8 径向流场51

3.4.9 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52

3.5.3 叶素-动量（BEM）定理53

3.5.4　风轮转矩和功率的确定55

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57

3.6.3 推力系数的经验确定58

3.7　叶片几何特性59

3.7.1 引言59

3.7.2 变速运行时的优化设计59

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67

3.8.1 引言67

3.8.2 叶尖损失68

3.8.3 叶尖损失因数的Prandtl渐近法72

3.8.4 叶根损失75

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79

3.9　实际风力机的计算结果81

3.10　稳定偏航的风力机的空气动力84

3.10.1 风力机在固定偏航时的动量定理84

3.10.2 风轮偏航的Glauert动量定理86

3.10.3 偏航致动盘的涡流柱面模型90

3.10.4 气流膨胀93

3.10.5 相关理论98

3.10.6 风力机风轮在固定偏航时的旋转尾流98

3.10.7 风力机在固定偏航时的叶素理论99

3.10.8 风力机在固定偏航时的叶素-动量定理100

3.10.9　诱导速度的计算值103

3.10.10 风轮固定偏航时的叶片力105

3.10.11 固定偏航时的偏航力矩和倾斜力矩105

3.11　加速势方法108

3.11.1 引言108

3.11.2 Kinner的通用压力分布理论109

3.11.3 压力的轴对称分布111

3.11.4 压力的反对称分布114

3.11.5 Pitt和Peters模型116

3.11.6 通用加速势方法117

3.11.7 各种方法的比较118

3.12　失速延迟119

3.13　非定常定流——动态入流121

3.13.1 引言121

3.13.2 非定常流中加速势方法的调整122

3.13.3 非定常的偏航力矩和倾斜力矩124

3.13.5 准定常翼型的空气动力学127

3.13.6 翼型加速度引起的气动力127

3.13.7 非定常流中尾流对翼型空气动力的影响128

3.14 附录　翼型的升力和阻力131

3.14.1 阻力定义132

3.14.2 阻力系数134

3.14.3 边界层135

3.14.4 边界层的分离135

3.14.5 层流和湍流边界层136

3.14.6 升力定义及其与环流的关系138

3.14.7 失速型翼型140

3.14.8 升力系数141

3.14.9 翼型阻力特性142

3.14.10 翼型特性随雷诺数的变化143

3.14.11 有弯度的翼型144

第4章　风力机特性149

4.1 特性曲线150

4.1.1 CP-λ功率特性曲线150

4.1.2 叶片实度对功率特性的影响151

4.1.3 CQ-λ力矩曲线152

4.1.4 CT-λ推力曲线153

4.2　恒速的运行情况153

4.2.1 KP-1／λ特性曲线154

4.2.2 失速调节154

4.2.3 转速变化的影响155

4.2.4 叶片桨距角变化的影响156

4.2.5 桨距角的调节157

4.2.6 调桨到失速157

4.2.7 顺桨调节157

4.3 测量的特性曲线与理论的特性曲线的比较158

4.4 变速运行160

4.5　捕获能量的估计160

4.6　风力机现场测试164

4.6.1 引言164

4.6.2 风力机现场测试的信息源165

4.7　风力机的性能测试166

4.7.1 现场测试的方法论166

4.7.2 风速的测量167

4.7.3 风向的测量168

4.7.4 空气温度和压力的测量168

4.7.5 功率的测量169

4.7.6 风力机的状态169

4.7.7 数据采集系统170

4.7.8 数据采样率170

4.8　测试数据的分析170

4.9　湍流的影响172

4.10　空气动力特性的评估173

4.11　误差与不确定度176

4.11.1 误差的估计177

4.11.2 敏感因素177

4.11.3　评估误差178

4.11.4　联合误差179

第5章　水平轴风力机设计载荷181

5.1 国家和国际标准182

5.1.1 发展背景182

5.1.2 IEC 61400-1182

5.1.3 Germanischer Lloyd认证标准183

5.1.4 丹麦标准DS 472183

5.2　载荷设计基础184

5.2.1 载荷源184

5.2.2 极限载荷184

5.2.3 疲劳载荷184

5.2.4 载荷的局部安全系数185

5.2.5 控制和安全系统的功能185

5.3　湍流与尾流186

5.4　极限载荷186

5.4.1 非运行载荷情况——正常机组状态186

5.4.2 非运行载荷情况——机组故障状态187

5.4.3 运行时载荷情况——正常机组状态187

5.4.4 运行时的载荷情况——空载189

5.4.5 运行时的载荷情况——机组故障状态189

5.4.6 启动和停机情况189

5.4.7 叶片和塔架间距189

5.5　疲劳载荷190

5.5.1 疲劳载荷综合谱190

5.6　叶片的静态载荷190

5.6.1 升力与阻力系数190

5.6.2 不同机组类型的关键设置191

5.6.3 动态响应191

5.7　运行中的叶片载荷198

5.7.1 确定和随机载荷198

5.7.2　确定的气动载荷198

5.7.3 重力载荷205

5.7.4　确定的惯性载荷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215

5.7.7 极限载荷217

5.8　叶片动态响应220

5.8.1 模态分析220

5.8.2　振形及频率222

5.8.3 离心刚化作用223

5.8.4 气动及结构阻尼225

5.8.5 确定性载荷的响应——逐步的动态分析226

5.8.6 随机载荷响应230

5.8.7 对模拟载荷的响应分析232

5.8.8　摇摆运动232

5.8.9　塔架的耦合236

5.8.10 风力发电机组动态分析规则241

5.8.11 空气弹性变形的稳定性244

5.9　叶片的疲劳应力245

5.9.1 叶片疲劳设计的方法245

5.9.2 确定性分量和随机性分量的组合247

5.9.3 频域内的疲劳估计247

5.9.4 风力机仿真249

5.9.5　疲劳循环计数250

5.10　轮毂与低速轴载荷250

5.10.1 引言250

5.10.2 确定的气动载荷252

5.10.3 随机气动载荷253

5.10.4 重力载荷253

5.11　机舱载荷254

5.11.1 来自叶轮的载荷254

5.11.2　包层载荷255

5.12　塔架载荷256

5.12.1 极限载荷256

5.12.2 极限载荷下的动态响应256

5.12.3 稳定风速下的运行载荷（确定性分量）259

5.12.4 湍流下的运行载荷（随机分量）260

5.12.5 运行载荷的动态响应263

5.12.6 疲劳载荷及其应力264

5.13 附录 湍流风速下静止叶片的动态响应265

5.13.1 引言265

5.13.2 频域响应函数265

5.13.3 忽略风速沿叶片变化的共振位移响应267

5.13.4 湍流风速横向分布对共振位移响应的影响268

5.13.5 叶片根部弯曲力矩的共振271

5.13.6 叶片根部弯曲力矩的背景效应273

5.13.7 峰值效应274

5.13.8 叶片中部的弯曲力矩276

第6章　水平轴风力机的概念设计279

6.1 概述280

6.2 风轮直径280

6.2.1 成本模型280

6.2.2 风力机大小最优化的简化成本模型实例281

6.3　风力机的容量283

6.3.1 相对风轮直径优化风力机容量的简化成本模型283

6.3.2 最佳额定风速与年平均风速的关系285

6.3.3 风力机的比功率287

6.4 风轮转速287

6.4.1 风轮转速和实度的理想关系287

6.4.2 转速对于叶片重量的影响288

6.4.3 最佳风轮转速288

6.4.4 噪声限制对风轮转速的影响288

6.4.5 视觉考虑288

6.5 叶片数量289

6.5.1 引言289

6.5.2 叶片数量、转速和实度的理想关系289

6.5.3 某些性能和成本比较289

6.5.4 叶片数量对载荷的影响293

6.5.5 噪声限制对风轮转速的影响293

6.5.6 视觉效果293

6.5.7 单叶片风力机294

6.6　摆动的结构294

6.6.1 具有减小载荷的优点294

6.6.2 大摆幅限制295

6.6.3 变桨距和摆动耦合296

6.6.4 失速调节型风力机的摆动稳定性297

6.7　功率控制297

6.7.1 被动失速控制297

6.7.2 主动变桨距控制297

6.7.3　被动变桨距控制301

6.7.4 主动失速控制301

6.7.5　偏航控制302

6.8　制动系统302

6.8.1 独立制动系统——标准要求303

6.8.2 空气动力学制动方案303

6.8.3 机械制动方案304

6.8.4 停机和空转比较305

6.9　恒速、双速或变速方案305

6.9.1 双速方案305

6.9.2 变速方案306

6.9.3 变滑差方案307

6.9.4 变速方案的其他途径307

6.10　发电机的类型308

6.10.1 同步发电机的应用309

6.10.2 直驱发电机309

6.11　传动链装配方案310

6.11.1　低速轴装配310

6.11.2 高速轴和发电机的装配313

6.12　传动链的要求314

6.13　风轮相对于塔架的位置315

6.13.1 上风向布置315

6.13.2 下风向布置316

6.14　塔架的刚度316

6.15　人员安全和通道问题317

第7章零　部件设计319

7.1 叶片320

7.1.1 引言320

7.1.2 空气动力设计320

7.1.3 优化设计的修正321

7.1.4 叶片结构的形成321

7.1.5 叶片材料和属性323

7.1.6 玻璃／聚酯和玻璃／环氧复合材料的性能325

7.1.7 木材层压板的性能329

7.1.8　主导载荷情况331

7.1.9 叶片谐振344

7.1.10 抗屈曲设计348

7.1.11 叶片根部的固定352

7.2　调桨轴承353

7.3　风轮轮毂355

7.4　齿轮箱358

7.4.1 引言358

7.4.2 运行中的载荷的变化358

7.4.3　传动链动力学特性360

7.4.4　制动载荷360

7.4.5 轮齿的疲劳设计中变载荷的影响361

7.4.6 变载荷对轴承和转轴疲劳设计的影响364

7.4.7 齿轮布置364

7.4.8　齿轮箱噪音367

7.4.9 齿轮箱的装配368

7.4.10 润滑和冷却368

7.4.11 齿轮箱效率369

7.5　发电机369

7.5.1 感应发电机369

7.5.2 变速发电机371

7.6 机械制动373

7.6.1 制动任务373

7.6.2 制动设计的主导因素373

7.6.3 制动盘温升的计算375

7.6.4 高速轴制动设计377

7.6.5 两级制动378

7.6.6　低速轴制动设计378

7.7　机舱底盘378

7.8　偏航驱动379

7.9　塔架381

7.9.1 引言381

7.9.2 一阶模态固有频率的约束382

7.9.3 钢制管状塔架383

7.9.4　桁架式塔架389

7.10　基础390

7.10.1 板状基础390

7.10.2 多桩基础391

7.10.3 混凝土单桩基础392

7.10.4 桁架式塔架基础392

第8章　控制器397

8.1　风力机控制器的功能398

8.1.1 整机运行状态控制398

8.1.2 闭环控制399

8.1.3 安全链399

8.2　闭环控制：问题和目标401

8.2.1 变桨距控制401

8.2.2 失速控制402

8.2.3 发电机转矩控制402

8.2.4 偏航控制403

8.2.5 控制器对载荷的影响403

8.2.6 定义控制器的目标404

8.2.7 PI和PID控制器404

8.3　闭环控制：通用技术405

8.3.1 恒速变桨距风力发电机组的控制405

8.3.2 变速变桨距风力发电机组的控制406

8.3.3 变速风力发电机组的变桨距控制408

8.3.4 转矩控制和变桨距控制间的切换408

8.3.5　塔架振动控制410

8.3.6 传动系统的扭转振动控制411

8.3.7 变速-失速调节412

8.3.8 可变滑差风力发电机组的控制413

8.3.9 独立桨距控制415

8.4　闭环控制：分析设计方法416

8.4.1 经典设计方法416

8.4.2 变桨距控制器的增益规则420

8.4.3 在控制器中加入更多的项420

8.4.4 经典控制器的其他扩展421

8.4.5 最优化反馈方法422

8.4.6 其他方法425

8.5　变桨距执行机构426

8.6　控制系统的实现427

8.6.1 离散化428

8.6.2　抗积分饱和429

第9章　风力机安装和风电场431

9.1 项目开发432

9.1.1 初始选址433

9.1.2 项目可行性评估434

9.1.3 测量-关联-预测技术434

9.1.4 微观选址435

9.1.5 场址调研436

9.1.6 公众咨询436

9.1.7 计划申请的准备和提交436

9.2　视觉和地形评估438

9.2.1 地形特性评估440

9.2.2 设计与改进／优化441

9.2.3 效果评估442

9.2.4 光影闪烁444

9.2.5 社会学方面的考虑444

9.3　噪声444

9.3.1 术语和基本概念445

9.3.2 风力机的噪声447

9.3.3 风电场噪声的测量、预测和评估449

9.4 电磁干扰453

9.4.1 对风力发电机组EMI的建模和预测455

9.5 生态评估458

9.5.1 对鸟类的影响459

9.6　经费462

9.6.1 项目评估462

9.6.2 项目经费465

9.6.3 风能的支持机制467

第10章　电气系统471

10.1 电力采集系统472

10.2　风电场的接地474

10.3　雷击保护477

10.4　嵌入式（分散）风力发电479

10.4.1 电力系统479

10.4.2 嵌入式发电480

10.4.3 配电网481

10.4.4 标幺制483

10.4.5 潮流、缓慢电压波动和电网损耗483

10.4.6 嵌入式风力发电的连接486

10.4.7 电力系统研究487

10.5 电能质量488

10.5.1 电压闪变493

10.5.2 谐波494

10.5.3 并网风力机电能质量特性测量和评估495

10.6 电力保护496

10.6.1 风电场和发电机保护498

10.6.2　感应发电机的自激和孤岛现象500

10.6.3 接口保护501

10.7　嵌入式风力发电的经济性503

10.7.1 嵌入式风力发电配电网的损耗504

10.7.2 无功功率费用和电压控制504

10.7.3 并网的费用“深”和“浅”505

10.7.4 系统使用费506

10.7.5 对发电系统的影响507

符号表512