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