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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IPS348

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