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 61400-1 178
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D 655
参考文献 658
符号表 661