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 61400-1 182
5.1.3 Germanischer Lloyd认证标准 183
5.1.4 丹麦标准DS 472 183
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