国际电气工程先进技术译丛 风能转换技术进展.pdf

国际电气工程先进技术译丛风能转换技术进展(印度)Sathyajith MathewGeeta Susan Philip 等著 金 鑫 李军超 杜 静 等译 机 械 工 业 出 版 社本书介绍了风能转换技术的相关进展,覆盖了空气动力学、风能资源分析、离岸风能资源评价、短期预测风能方法、风力发电机载荷计算、风力发电机控制系统策略、离岸型风电场产生的大规模电力并网以及小型风力发电机的发电原理。本书引用了大量的参考书籍和文献,便于读者的学习和使用。本书不仅对从事风电技术研究的工作者和相关设备开发的研究者来说是非常实用和方便的参考书,而且对于高校相关领域的学生也是很有学习价值的。Translation from English language edition:Advances in Wind Energy Conversion Technologyby Sathyajith Mathew and Geeta Susan PhilipSpringer-Verlag Berlin Heidelberg 2011Springer is a part of Springer Science+Business MediaAll Rights Reserved本书中文简体字版由 Springer 授权机械工业出版社出版,未经出版者书面许可,不得以任何方式复制或发行本书的任何部分。版权所有,翻印必究。本书版权登记号:图字 01-2012-0582 号。图书在版编目(CIP)数据风能转换技术进展/(印度)马修(Mathew,S)等著;金鑫等译.北京:机械工业出版社,2013 10(国际电气工程先进技术译丛)书名原文:Advances in Wind Energy Conversion TechnologyISBN 978-7-111-44134-2 风 马金 风力发电 TM614中国版本图书馆 CIP 数据核字(2013)第 223508 号机械工业出版社(北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037)策划编辑:刘星宁 责任编辑:刘星宁版式设计:霍永明 责任校对:申春香封面设计:赵颖喆 责任印制:杨 曦北京中兴印刷有限公司印刷2013 年 11 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm11 75 印张224 千字00013000 册标准书号:ISBN 978-7-111-44134-2定价:58.00元凡购本书,如有缺页、倒页、脱页,由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心:(010)88361066销 售 一 部:(010)68326294销 售 二 部:(010)88379649读者购书热线:(010)88379203网络服务 教材网:http:/www cmpedu com 机工官网:http:/www cmpbook com 机工官博:http:/weibo com/cmp1952 封面无防伪标均为盗版译者序近年来风能发展非常引人注目。在过去 10 年,风电装机容量平均以每 3年翻一番的速度增长。2009 年风电装机容量为 38GW,全球总的风电装机容量达到158 5GW,年增长率达到31 7%。由此,风能成为当今世界发展最快的能源。据全球风能理事会(GWEC)预测,在未来10 年这个增长趋势仍将继续保持,即使保持中等增长速度,在 2020 年全球风电装机容量也将达到709 GW,贡献全球电力需求的 8 2%。风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学等多学科的综合性高技术系统工程。由于所受工况瞬态多变且工作环境恶劣,所以风力发电机组是一个复杂、多变量、非线性的不确定系统,因此,对于风力发电设计工程师来说,需要对风力发电设计的各个方面都有所考虑。Sathya-jith Mathew 等所著的 风能转换技术进展 是一本兼具索引、汇编和综论的好书。书中每一章节的作者都是风力发电技术各方面的权威专家,在风能转换技术上具有深厚的造诣和国际声望。本书不仅对从事风电技术研究的工作者和相关设备开发的研究者来说是非常实用和方便的参考书,而且对于高校相关领域的学生也是很有学习价值的。本书第 1 章介绍风力发电机的空气动力学,为水平轴风力发电机设计服务;第 2 章重点介绍风能资源分析,讲解确定风环境特征的方法并介绍风能转换系统的运行模型;第 3 章主要介绍离岸风能资源评价;第 4 章论述了短期预测风能的方法;第 5 章分析了在不同工况下作用在风力发电机上的载荷;第 6 章介绍风力发电机控制系统的主要特征、目标和策略;第 7 章论述了离岸型风电场产生的大规模电力并网的基本问题;第 8 章介绍了小型风力发电机的起动运行、偏航行为、陀螺负载、过速保护以及控制要求。本书全面而系统地介绍了风力发电技术的进展,各章节由风能转换技术各个方面的专家撰写,并引用了大量的参考书籍和文献,有利于读者学习和参考。本书由重庆大学机械工程学院金鑫、李军超(重庆大学材料工程学院)、杜静等翻译。其中第1 章由金鑫和夏宗朝翻译;第2 章由巨文斌和李浪翻译;第 3 章由杜静和熊海洋译;第 4 章由金鑫和胡雁东翻译;第 5 章由李军超和周同贵翻译;第 6 章由李军超、王宾和夏宗朝翻译;第 7 章由沈军舰和白婷婷翻译;第 8 章由杨芬芬和胡雁东翻译。全书由金鑫、李军超统稿、审阅和 风能转换技术进展校对。本书中介绍的风力发电设计技术,涉及的相关知识范围很广。由于我们能力有限,可能存在翻译不准确、甚至不正确的地方,欢迎读者随时提出宝贵意见和建议,在此表示诚挚的谢意。译 者2013 年 9 月 13 日前言近年来风能发展非常引人注目。在过去 10 年,风电装机容量平均以每 3年翻一番的速度增长。2009 年风电装机机容量为 38GW,全球总的风电装机容量达到158 5GW,年增长率达到31 7%。由此,风能成为当今世界发展最快的能源。据全球风能理事会(GWEC)预测,在未来10 年这个增长趋势仍将继续保持,即使保持中等增长速度,在 2020 年全球风电装机容量也将达到 709GW,贡献全球电力需求的 8 2%。近年来,风能快速发展的主要动力之一源于风能转换技术的发展和进步。这使得风力发电机的尺寸越做越大,同时转换效率也得以保证,并能够安全可靠地运行在恶劣的工作环境中。举例来说,先进的流体力学工具的应用使我们能够较为容易地理解风力发电机的空气动力学特性,从而提高风能转换系统的效率和可靠性。通过对风环境的深入分析,我们能够为风电机组找到较好的安装位置,从而提高风电场的发电量。先进的预测方法使我们能够预测短时间跨度内风电的可利用性,从而增加风能的可靠性及可调度性。同样,电工电子技术的发展能够为风力发电机提供更好的发电机和控制系统。本书的目的就是同风能专业的学生及研究者分享这些技术的发展。本书分为 8 章。第 1 章介绍风力发电机的空气动力学,可为水平轴风力发电机设计服务。本章刚开始介绍基本的空气动力学问题,并基于动量理论分析这些问题。在水平轴风力发电机的涡流尾流模型中介绍了叶素理论及叶素动量理论。本章结尾对先进空气动力学技术做了简单介绍,包括 Navier-Strokes、Euler 和混合的 CFD 方法。第 2 章重点介绍风能资源分析,讲解确定风环境特征的方法并介绍风能转换系统的运行模型;接下来是第 3 章,主要介绍离岸风能资源评价。首先介绍离岸风能资源的显著特征,然后进一步以案例的形式展示了应用 Li-DAR、SoDAR、SAR 和 Scattometers 评价离岸风能的潜力。第 4 章论述了短期预测风能的方法。首先,介绍了不同的预测技术,然后详述各自形成的模型以用于点预测。一些概率预测模型被纳入考虑范围,最后论述了预测的放大和预测质量的评定。第 5 章分析了在不同工况下作用在风力发电机上的载荷。首先总体介绍了载荷产生的成因,作为接下来载荷评估方法和步骤的基础。风力发电机设 风能转换技术进展计和认证因素是载荷分析过程中考虑的重点。风力发电机控制系统的主要特征、目标和策略在第 6 章中进行介绍。主要讲述保证效率的控制策略,现代风力发电机稳定可靠的运行。分析了风力发电机系统控制的经典控制环的关键运行参数。介绍了描述风力发电机主要特征的动态分析模型。第 7 章论述了离岸型风电场产生的大规模电力并网的基本问题。首先解释了并网的基本要求,并介绍了不同的并网方法,诸如 HVAC、LCC HVDC和 VSC HVDC。最后探索了交替的并网策略,并比较了不同的并网方法。最后一章关于小型风力发电机。从设计和运行要求上说,大型风力发电机和小型风力发电机是不同的。本章重点主要讲述起动运行、偏航行为、陀螺负载、过速保护和控制要求。本书各章节由风能转换技术各个方面的专家撰写,在此感谢他们将自己的专业知识同读者共享。Sathyajith MathewGeeta Susan Philip目录译者序前言第 1 章 水平轴风力发电机空气动力学1 1 1 空气动力学的基本问题5 1 1 1 风功率密度6 1 1 2 风速随机性和平均功率7 1 1 3 风速沿地面高度分布8 1 1 4 尾流阵影响9 1 1 5 湍流风对功率影响10 1 1 6 容量系数和具体产量11 1 2 无偏航情况的动量理论分析11 1 2 1 入流模型和分析12 1 2 2 推力和功率系数13 1 2 3 尾流扩张14 1 2 4 湍流尾流和涡环状态15 1 3 存在偏航误差的动量理论分析15 1 4 最大风能转换效率18 1 5 水平轴风力发电机典型功率曲线19 1 6 水平轴风力发电机的叶素模型21 1 6 1 入流模型与分析21 1 6 2 求解 CT和 Cp23 1 7 水平轴风力发电机的叶素动量理论24 1 7 1 叶素动量理论入流模型及分析24 1 7 2 最佳的水平轴风力发电机:理想的叶片扭角和锥度设计26 1 8 理解运行参数相互依存的关系28 1 9 非理想因素和叶尖损失31 1 10 偏航情况下的诱导因素33 1 11 水平轴风力发电机翼型35 1 12 水平轴风力发电机涡旋尾流模型38 1 12 1 控制方程40 1 12 2 关联叶片求解40 1 12 3 自由涡流模型计算结果41 1 13 非稳态气动特性对水平轴风力发电机的影响44 风能转换技术进展 1 13 1 衰减频率45 1 13 2 非稳态翼形理论45 1 13 3 动态失速45 1 14 瞬态偏航效应48 1 15 塔架干扰效应49 1 16 先进的空气动力学模型51 1 16 1 Navier-Stokes 方程51 1 16 2 Euler 与混合 CFD 方法52 1 17 本章回顾53 参考文献54 作者简介58第 2 章 风环境分析及风力发电机运行59 2 1 风况特性59 2 1 1 边界层效应59 2 1 2 风速分布60 2 1 3 能量密度62 2 2 风力发电机的速度-功率响应62 2 3 能量模型64 2 4 结论67 参考文献68 作者简介68第 3 章 海上风资源评估进展69 3 1 高级海上风资源观测69 3 1 1 Hvsre 测试结果70 3 1 2 Horns Rev 测试结果72 3 1 3 Nysted 海上测试结果73 3 2 海上风资源空间观测75 3 2 1 合成孔径雷达75 3 2 2 散射仪78 3 2 3 中尺度模拟80 3 3 讨论和结论82 参考文献84 作者简介86第 4 章 短期风能预测87 4 1 预测的类型87 4 2 点预测模型89 4 2 1 仅基于发电测量的模型89 4 2 2 基于物理关系的模型91目 录 4 2 3 同时运用检测量和物理信息的模型93 4 3 概率预测模型95 4 3 1 百分位数回归96 4 3 2 气象集成预报97 4 3 3 方案的产生99 4 4 升尺度方法100 4 5 评估100 4 5 1 点预测101 4 5 2 概率预报102 4 6 文献参考104 参考文献105 作者简介107第 5 章 风力发电机载荷分析108 5 1 风力