风能系统 实现安全可靠运行的优化设计与建设PDF电子书下载

第1部分 基础风能资源、设计、安全与可靠性 1

第1章 风电场开发的气象学与风资源评估 1

1.1 引言 1

1.2 风气候评估 1

1.2.1 国家评估 2

1.2.2 地方风气候评估 3

1.2.3 站点评估 4

1.3 从风气候到风资源 4

1.3.1 就地测量 5

1.3.2 空间和时间推断 6

1.3.3 垂直推断 9

1.4 风电场布局 11

1.5 海上风电场的特殊考虑 12

1.6 短期预测 13

1.7 未来趋势 13

1.8 致谢 14

1.9 参考文献 14

第2章 风力机设计与建设的场地调研、特性描述及评估 22

2.1 风能土建设计介绍 22

2.2 风能岩土工程勘察 22

2.2.1 岩土工程设计参数 22

2.2.2 岩土工程调研与报告 26

2.3 风力机基础 26

2.3.1 基础类型 26

2.3.2 基础分析与设计 28

2.4 土建设计与微观选址 31

2.4.1 通道与起重机垫 32

2.4.2 集电系统 33

2.4.3 风力机与集电系统的接口及风力机接地 34

2.5 更多信息和建议的来源 35

2.6 参考文献 35

第3章 风力机的气动弹性力学和结构动力学 37

3.1 引言 37

3.2 风力机结构动力学 38

3.2.1 应用梁理论的风力机部件的有限元方法（FEM）模型 38

3.2.2 风力机动力学 46

3.3 风力机运行条件下的气动弹性 58

3.3.1 气动弹性耦合和非线性时域分析 59

3.3.2 特征根稳定性分析 60

3.4 改进的气动弹性设计和建设的应用 61

3.4.1 引言 61

3.4.2 风力机正常运行时的固有气动弹性频率和阻尼——一般的气动弹性不稳定 62

3.4.3 载荷输入和载荷工况的特征 76

3.4.4 改善弹性响应的方法 81

3.5 未来趋势 84

3.5.1 采用表面或者边界层控制以减小载荷 85

3.5.2 采用弯曲／变桨距耦合的柔性叶片 85

3.5.3 集成设计 87

3.5.4 变桨或失速控制 87

3.5.5 漂浮型风力机 88

3.6 更多信息和建议的来源 88

3.7 参考文献 88

第4章 风力机尾流和风电场空气动力学 92

4.1 引言 92

4.2 一维动量理论 93

4.3 叶素动量理论 94

4.3.1 叶尖校正 96

4.3.2 湍流尾流 96

4.3.3 偏航误差 97

4.3.4 动态尾流 97

4.3.5 风入流 97

4.3.6 翼型数据 97

4.4 风力机风轮计算流体力学建模 98

4.5 风电场空气动力学 99

4.6 风电场气流与湍流仿真 100

4.6.1 三台风力机一排 101

4.6.2 多台风力机一排 102

4.7 未来趋势 103

4.8 更多信息和建议的来源 103

4.9 致谢 104

4.10 参考文献 104

第5章 风力机疲劳载荷 107

5.1 引言和概述 107

5.2 损伤模型 110

5.3 短期载荷分布 114

5.4 长期载荷分布 122

5.5 疲劳寿命评估 124

5.6 结论 128

5.7 参考文献 129

第2部分 风能系统材料、设计和部件开发 133

第6章 风力机风轮的气动设计 133

6.1 引言 133

6.2 发展现状 134

6.3 风轮设计过程中使用的模型和元素 135

6.3.1 风轮空气动力学 135

6.3.2 风轮空气动力学设计中的重要参数 141

6.3.3 翼型性能 143

6.3.4 设计叶尖速比 147

6.3.5 风轮尺寸、控制和约束 148

6.3.6 叶片数选择 151

6.3.7 风轮设计评估 152

6.4 风轮设计过程举例 152

6.4.1 步骤1：风气候 152

6.4.2 步骤2：风轮／发电机大小 153

6.4.3 步骤3：风轮控制 153

6.4.4 步骤4：设计约束 153

6.4.5 步骤5：选择叶片数目 154

6.4.6 步骤6：升力与翼型设计选择 154

6.4.7 步骤7：设计叶尖速比的选择 158

6.4.8 步骤8：叶片单点设计 158

6.4.9 步骤9：叶片设计的评估 161

6.5 未来趋势 165

6.6 更多信息来源 166

6.7 致谢 166

6.8 命名法 167

6.9 参考文献 169

第7章 风力机传动链系统 173

7.1 引言 173

7.2 齿轮箱和轴承系统 174

7.2.1 齿轮箱、轴、轴承 174

7.2.2 多级齿轮 175

7.2.3 传动链轴承概念 177

7.2.4 传动链可能的机械失效、预测及缓解 178

7.2.5 振动 178

7.2.6 油质 179

7.2.7 噪声监测 179

7.3 电力电子系统 179

7.4 发电机基本特性 181

7.4.1 笼型转子感应发电机 183

7.4.2 绕线转子感应发电机 183

7.4.3 同步发电机 184

7.4.4 多极同步电机 185

7.4.5 电励磁同步发电机 185

7.4.6 永磁同步发电机 185

7.4.7 其他潜在的发电机类型 188

7.5 电能变换系统 189

7.5.1 没有电力电子接口的多级齿轮感应发电机 190

7.5.2 多级齿轮双馈感应发电机（DFIG）系统 192

7.5.3 多级齿轮高速发电机和全功率电力电子系统 193

7.5.4 直驱低速同步发电机和全功率电力电子系统 194

7.5.5 混合齿轮传动中速同步发电机和全功率电力电子系统 195

7.5.6 电气系统的状态监测 196

7.6 发电系统优化 196

7.7 结论和未来趋势 199

7.8 参考文献 201

第8章 风力机控制系统与技术 204

8.1 引言 204

8.2 仪器 205

8.2.1 传感器 205

8.2.2 驱动器 207

8.3 控制目标 209

8.4 常规风力机控制 210

8.4.1 发电机转速滤波 210

8.4.2 额定工况以下控制 211

8.4.3 额定工况以上控制 212

8.4.4 满载／部分载荷选择器 217

8.5 降低载荷的先进控制 218

8.5.1 传动链阻尼 218

8.5.2 塔架前后阻尼 219

8.5.3 塔架侧向阻尼 220

8.5.4 降低叶片载荷 220

8.6 未来趋势 223

8.7 参考文献 224

第9章 风力机塔架的设计、安装和维护 226

9.1 引言 226

9.2 桁架式塔架 227

9.2.1 概述 227

9.2.2 装配 228

9.3 圆筒式塔架 228

9.3.1 塔架安装 229

9.3.2 短塔架 229

9.3.3 海上塔架 229

9.4 风力机塔架上的载荷状况 230

9.4.1 塔架的疲劳载荷分析 230

9.4.2 设计要求 231

9.5 法兰盘连接 233

9.5.1 概述 233

9.5.2 法兰类型 234

9.5.3 设计 236

9.5.4 最终极限状态 237

9.5.5 疲劳极限状态 239

9.6 定期监测 244

9.6.1 法兰缺陷改造 244

9.7 参考文献 245

第3部分风能系统运行和维护、性能评估及优化 249

第10章 风能系统的可靠性、可维护性及运行和维护策略 249

10.1 引言 249

10.2 浴盆曲线概念 250

10.3 可靠性和可维护性工程在风能系统中的作用 251

10.3.1 风能系统可靠性和可维护性方面 253

10.4 系统工程 255

10.5 运行和维护的问题和策略 256

10.5.1 维护方法 257

10.5.2 维护措施的分类 258

10.6 在可持续和有竞争力的能源供应中的成本效益维护 259

10.7 为风力发电系统改进设计和建设的努力 260

10.7.1 设计和开发 260

10.7.2 生产和建设 261

10.7.3 运行和维护 261

10.8 未来趋势 263

10.9 更多信息和建议的来源 265

10.1 0致谢 266

10.1 1 参考文献 266

第11章 风力机状态监测系统及技术 270

11.1 引言 270

11.2 状态监测的度量衡 270

11.2.1 功率和风速测量 271

11.2.2 机舱振动测量 271

11.2.3 振动 272

11.2.4 轴转速及位置 272

11.2.5 油监测 273

11.3 状态监测算法 273

11.3.1 功率特性监测 273

11.3.2 机舱振动监测 275

11.3.3 传动链监测 277

11.3.4 电气部件监测 282

11.3.5 分类 282

11.4 状态监测标准和技术指南 282

11.4.1 IEC 61400-25通信标准 282

11.4.2 状态监测系统认证 283

11.5 状态监测的未来趋势 283

11.5.1 新的传感器技术 283

11.5.2 状态监测系统集成 284

11.5.3 状态监测新挑战 284

11.6 参考文献 284

第12章 风力机空气动力学行为建模与设计的性能评估和知识管理——IEA经验 286

12.1 引言 286

12.2 空气动力学测量 287

12.2.1 入流条件 287

12.2.2 气动力 287

12.2.3 攻角 288

12.2.4 动压力和无量纲化 289

12.2.5 气流可视化 289

12.3 现场风轮空气动力学数据库 289

12.3.1 测试矩阵 290

12.3.2 提供的数据 293

12.3.3 结果 293

12.4 特殊风气候／高风区域的数据库 294

12.4.1 地形复杂度 295

12.4.2 极端风速地图 296

12.4.3 极端风速数据库 296

12.5 未来趋势 296

12.6 参考文献 297

第13章 风力机在低风速环境下运行的优化设计 298

13.1 引言 298

13.2 起动的空气动力学建模 300

13.3 对于功率和起动的叶片优化设计 304

13.4 实际叶片的设计、建造与性能 309

13.5 更大型叶片的多维设计 312

13.6 结论 314

13.7 致谢 314

13.8 参考文献 315

第14章 寒冷气候条件下风力机优化设计 317

14.1 寒冷气候对风力机设计与运行的影响 317

14.1.1 寒冷气候对风力机的一般影响 317

14.1.2 寒冷气候条件下风力机的特殊要求 323

14.1.3 已建设或计划建设于寒冷气候中的风电场 325

14.2 结冰对风力机的影响 331

14.2.1 结冰的一般特点 331

14.2.2 结冰参数 331

14.2.3 结冰事件 331

14.2.4 结冰类型 332

14.2.5 海上结冰 333

14.2.6 结冰检测 335

14.2.7 风力机上的冰增长 335

14.3 结冰对空气动力学和载荷的影响 338

14.3.1 光滑的冰（釉冰） 339

14.3.2 粗糙的冰（雾凇） 339

14.3.3 覆冰风轮性能评估程序 340

14.4 结冰对发电量的影响 342

14.5 防冰和除冰系统设计及性能 343

14.5.1 系统评估 343

14.5.2 设计流程 344

14.5.3 在防冰设计流程中引入气动弹性分析 345

14.6 防冰系统概念、比较与讨论 347

14.6.1 实用的风力机IPS 348

14.7 防冰系统的紧急解决方案 355

14.7.1 机翼LE部的充气橡胶靴和可控制表面（气动除冰系统） 355

14.7.2 微波 355

14.7.3 低表面附着度材料 356

14.7.4 间歇性（周期性）热空气加热 358

14.7.5 防冰系统的可再生性 359

14.8 甩冰与结冰风险 362

14.9 寒冷气候下的能量损失和经济风险 369

14.10 参考文献 372

第4部分 海上风能系统设计、建设、运行和维护 377

第15章 海上环境载荷与风力机设计：风、波浪、水流及冰的影响 377

15.1 引言 377

15.2 环境载荷概述 377

15.3 风 379

15.3.1 风电场的描述 379

15.3.2 风速随高度的变化 379

15.3.3 湍流 381

15.3.4 极端风速和阵风 382

15.4 波浪 383

15.4.1 波浪，海的表面 383

15.5 海流 385

15.6 水动力载荷 385

15.6.1 衍射 386

15.7 长期波浪描述 387

15.8 冰载荷 388

15.9 参考文献 388

第16章 海上风能系统支撑结构的设计、施工和安装 390

16.1 引言 390

16.2 支撑结构类型 390

16.2.1 分类 390

16.2.2 固定支撑结构 391

16.3 设计方法和技术 397

16.3.1 设计理念 397

16.3.2 基础的尺寸 399

16.3.3 周期性载荷下基础的运行特性分析 406

16.4 特定场地设计优化 409

16.4.1 设计准则 409

16.4.2 结构布局 410

16.5 基础安装技术 411

16.5.1 单桩基础的安装 411

16.5.2 钢架结构基础的安装 412

16.5.3 重力式基础的安装 414

16.5.4 吸力桶的安装 415

16.6 未来趋势 416

16.7 更多信息和建议的来源 418

16.8 参考文献 419

第17章 海上风电场的综合规划与设计 425

17.1 引言 425

17.2 系统、团队和过程概述 426

17.2.1 海上风电场的组成和流程 426

17.2.2 人员与交流 426

17.2.3 海上风能开发的设计和规划过程 427

17.3 海上风电场设计和背景 429

17.3.1 设计过程的基本原则 429

17.3.2 陆上风能与海上风能的差异 430

17.3.3 非技术性问题 432

17.4 风电场设计和集成（具体场地） 434

17.4.1 集成设计：是什么和不是什么 434

17.4.2 准备和场地选择 435

17.4.3 概念设计 437

17.4.4 初步设计 438

17.5 海上风电场技术开发（通用目的） 439

17.5.1 具体场地设计集成的差异 439

17.5.2 集成工具间的相关性 440

17.5.3 案例分析 440

17.5.4 实际的技术开发 441

17.6 未来趋势 441

17.6.1 背景及需求的发展 441

17.6.2 设计目标和组织的发展 442

17.6.3 设计方法的发展 442

17.6.4 技术趋势 442

17.7 更多信息和建议的来源 443

17.8 参考文献 444

第18章 海上风能系统的运行和维护 446

18.1 引言 446

18.1.1 海上风电场及其运行和维护 446

18.1.2 运行和维护的关键指标 450

18.2 运行和维护事项 452

18.2.1 维护类型 452

18.2.2 运行和维护计划的开发 453

18.2.3 故障维护 453

18.2.4 基于状态的维护 455

18.3 运行和维护模型与策略 456

18.3.1 建模方法 456

18.3.2 ECN运行和维护工具 457

18.4 采集运行经验 463

18.4.1 为什么将运行经验用于运行和维护的优化 463

18.4.2 运行和维护数据 465

18.4.3 状态监测数据 468

18.4.4 后勤数据 470

18.5 具体站点运行和维护的优化及未来趋势 473

18.5.1 近海风电场 473

18.5.2 远海风电场 475

18.5.3 运行和维护建模对应真实情况 476

18.6 参考文献 476