風力發電機組設計與技術（簡體書）

《風力發電機組設計與技術》重點闡述了風力發電機組的設計理論與技術，旨在為風力發電技術開發、設備設計人員提供實用的參考與借鑒。全書共分8章，包括緒論、風資源、風力發電原理、風力發電機組設計載荷、風電機組總體設計技術、風力發電機組的結構動力學、風力發電系統模型、風電機組的控制技術。《風力發電機組設計與技術》可供從事風電機組設計工作的工程技術人員、研究人員和相關專業的高校師生作為教材或參考用書。

《風力發電機組設計與技術》是由化學工業出版社出版的。

世界各主要發達國家和發展中國家都在努力發展本國的可再生能源發電技術。風力發電作為可再生能源發電技術的一種重要形式，得到了大力的發展。由于新技術的使用和發電量的增大，使得電能的成本不斷下降，促進了更大型、高效率和高可靠性風力發電機組的迅猛發展。然而，隨著風電產業深入發展，產生風電的風力發電機組設備的使用壽命受到嚴峻的挑戰，使得一些制造廠家由于質量問題紛紛倒閉或被兼并。人們認識到解決的最好辦法是采用可靠的、先進的風電機組設計技術和制造工藝，由第三方認證機構監管風電機組整個制造過程，最終實現風電機組運行壽命20年的目標，這也是筆者編著本書的初衷。本書共由8章組成。第1章為全書的簡介。第2章通過風能資源特性、結構和統計學描述風力資源，給出了風能資源統計的數學描述和風流瞬時特性的數學描述形式，對風能特性的理解至關重要，可用在風電機組的載荷計算分析和控制器設計工作中。第3章是對風電機組風輪特性的研究，重點研究能量轉換過程及風力發電原理，分析流過槳葉的空氣產生的動力。槳葉轉動即能捕獲風能，也能產生應力作用在驅動齒輪傳動機構和塔架上。氣動負載是風電機組的主要載荷，對機組壽命和電能質量的影響很大，是機組整機和各部件設計的依據。第4章介紹了氣動負載計算分析方法。第5章介紹了風電機組的總體設計技術。為了理解風電機組與其他發電設備的區別，全書在第6章詳細介紹了風電機組的振動特性和分析方法。第7章給出了風能轉換控制系統的動態特性模型，這是風電機組控制器設計的基礎。為獲得物理特性的真實情況，風力機被分成了幾個子系統，這樣，獨立的模型推出包括：空氣動力模型、槳距制動器、支持結構、驅動齒輪組和發電單元。所有子模型構成完整的風能控制系統模型。在第8章里，研究了最常見的風電機組控制技術；探討了風能控制系統的不同運行方式，包括恒轉速、變速、恒槳距、變槳距；給出了風電機組在不同工況的任意風速下的控制方法。重點介紹了線性參數變化增益調度控制器在變速恒槳距和變速變槳距風電機組中的設計。筆者根據20多年來從事風力發電技術研究的工作經驗歸納總結完成本書編著工作，希望能給廣大從事風電機組設計工作的工程技術人員、研究人員和相關專業的高校師生提供參考。本書得到了國家高科技發展計劃；“風力發電機組設計技術及其工具軟件開發”；項目（No2006AA05Z429）的支持。書中的不妥之處懇請讀者批評指正。鄧英2011年5月

第1章 緒論11.1 風能轉換系統的結構21.2 風力發電技術21.3 風電機組的控制技術31.3.1 風力機的功率調節31.3.2 恒速恒頻技術與變速恒頻技術4第2章 風資源52.1 我國的風資源分布狀況52.2 風的形成72.3 風特性82.3.1 平均風速82.3.2 風能102.3.3 湍流112.4 風電機組的塔影效應122.5 瞬時風速變化模型132.5.1 極端風速模型(EWM)132.5.2 極端運行陣風(EOG)132.5.3 極端風向變化(EDC)142.5.4 極端相關陣風(ECG)142.5.5 方向變化的極端相關陣風(ECD)152.5.6 極端風切變(EWS)15第3章 風力發電原理163.1 風輪轉子163.2 風力渦輪空氣動力學173.2.1 制動盤模型173.2.2 貝茨極限193.2.3 葉素模型203.2.4 力、力矩和功率223.2.5 流過風輪的風速243.3 穩恒湍流253.3.1 風剪效應253.3.2 塔影效應263.3.3 隨機湍流273.4 風力的利用方法——葉片設計283.4.1 風輪葉片特性的計算理論283.4.2 動量葉素理論推導293.4.3 誘導因子a、a′的計算方法303.5 風力機性能計算方法313.6 風輪輸出特性計算舉例323.7 湍流狀態下葉素理論修正353.8 葉片設計36第4章 風力發電機組設計載荷394.1 風力機載荷394.1.1 風電機組的載荷工況394.1.2 風輪的氣動載荷414.2 重力和慣性載荷424.2.1 重力引起的載荷424.2.2 離心力引起的載荷424.2.3 離心力引起的錐角效應434.3 運行載荷434.3.1 陣風引起的彎曲力444.3.2 風輪的旋轉效應454.4 極限載荷454.5 載荷統計外推法454.6 載荷譜484.6.1 雨流法484.6.2 從雨流矩陣到載荷譜484.6.3 等效載荷484.7 風力機設計載荷的計算舉例494.7.1 載荷計算準備494.7.2 Bladed軟件載荷的輸出534.7.3 載荷分析564.8 載荷計算坐標系及其轉換584.8.1 坐標系定義584.8.2 坐標系轉換60第5章 風電機組總體設計技術625.1 設計流程625.2 設計工作655.2.1 設計主要內容655.2.2 分析計算工作內容655.3 設計要求655.4 機組的設計流程665.5 設計原則665.6 設計方法675.7 風電機組總體參數設計685.7.1 大型風力發電機組的總體技術參數685.7.2 基本設計參數695.8 風電機組選型設計715.8.1 功率控制方式715.8.2 恒速、雙速、變速風力發電機735.8.3 制動系統745.8.4 傳動系統765.8.5 潤滑系統785.8.6 風輪和塔架間的相對位置確定795.8.7 塔架795.9 風力發電機組的總體布局設計805.9.1 風力發電機組的總體布局基本形式805.9.2 大型兆瓦級風電機組幾種主要的布置形式82第6章 風力發電機組的結構動力學856.1 模態分析法856.2 結構模態分析理論866.3 系統響應的求解886.3.1 單自由度振動系統響應886.3.2 任意激勵的響應896.4 風電機組的振動906.4.1 葉片擺動所產生振動906.4.2 傳動鏈的擺動906.5 風力發電機組的振動抑制926.5.1 風電機組的模態坐標系下的狀態空間形式926.5.2 縮減系統自由度946.5.3 欲配置的極點的確定986.6 系統的極點配置996.6.1 系統的能控性996.6.2 系統極點配置996.7 制動器輸出1006.8 實現方法100第7章 風力發電系統模型1027.1 風力發電機組的模型1027.2 機械子系統——傳動系統1037.3 氣動子系統——風輪氣動特性1067.4 電氣子系統1067.4.1 直接耦合的鼠籠式感應電機1067.4.2 控制定子的鼠籠式感應發電機1087.4.3 控制轉子的雙饋感應發電機1087.5 槳距子系統1107.6 整個風力發電機組的模型111第8章 風電機組的控制技術1138.1 風電機組的基本運行過程1138.1.1 待機狀態1138.1.2 風力發電機組的自啟動1148.1.3 自啟動的條件1148.1.4 葉輪對風1158.1.5 制動解除1158.1.6 定槳失速風力發電機組并網與切換1158.2 安全保護系統1168.3 風電機組常規控制技術1168.3.1 變槳距控制技術1168.3.2 最佳葉尖速比控制技術1178.3.3 變速運行方式1188.4 閉環控制技術1208.4.1 恒速變距機組閉環控制技術1208.4.2 變速機組中的變距控制技術1228.4.3 轉矩控制和變距控制之間的轉換1228.4.4 塔架振動控制1238.4.5 驅動鏈扭轉振動控制1248.4.6 獨立變距控制1248.5 數字PID控制算法1258.5.1 位置式PID控制算法1258.5.2 增量式PID控制算法1268.6 變速恒頻控制技術1278.7 優化反饋控制方法1288.8 增益調度控制技術1298.8.1 傳統的增益調度設計方法1308.8.2 基于LPV的增益調度設計方法1318.8.3 變速變槳風力發電機組LPV模型1328.9 凸多面體結構的LPV控制器設計1338.9.1 凸分解LPV模型1338.9.2 仿真研究137附錄風電機組機械子系統模型推導140參考文獻144

風能轉換系統必須與連續變化的風力相一致并在必要時加以控制。為防止過載損傷風力機，人們加入了一些機械裝置來限制高風速時所捕獲的風能。其中一種方法是：當捕獲能量近似于額定值時，為了降低槳葉的升力，發明了槳距控制法，風輪由機電或液壓裝置沿縱向驅動旋轉全部或部分葉片實現節距調整，也叫主動控制載荷法。另外，還有被動的控制策略，就是在硬件上研制的新方法，也就是基于槳葉上的特殊設計，引起額定或更高風速下的失速現象。在高風速時產生湍流，進而產生較強阻力及損失部分升力使氣動力矩減小。盡管硬件結構簡單，但失速控制的風能轉換系統會減少風能的捕捉量，并且存在使風力機疲勞損傷的高風險。直接聯網的電力發電機組在風能轉換系統中，風力機轉速受電網頻率約束。雖然成本低而且可靠性高，但這些恒轉速設置很難根據風速的變化來調整。為了更好地利用風力機槳葉，變速恒頻風電機組隨之發展起來。加入電力電子變流器作為發電機和交流電網的接口，將電網運行頻率和風力機轉速分離解耦。這樣的系統同樣包括由額定轉速決定的最優轉速率，由此控制轉速。此外，電力電子變流器可以根據系統對能量的需要重新分配電能。所以，市場上出現了兩種主流機型——雙饋式變速恒頻風電機組和直驅永磁式變速恒頻風電機組。這就是目前技術的不斷發展與進步最終確定的風能轉化系統的結構形式。當然，隨著新技術突破還會出現新的結構形式的風力發電機組。