风力发电机组技术与应用.pdf

国际电气工程先进技术译丛风力发电机组技术与应用（美）Ahmad Hemami 编著张春朋 戚庆茹 等译机 械 工 业 出 版 社 本书讲述了风力发电机的基本概念，解释了风中蕴含的能量以及风力机如何捕获这些能量，从而推动发电机产生电能。然后，详细介绍了风力发电机的关键零部件，分为机械部分和电气部分两类，分别包括基础、塔架、机舱、叶片、轮毂、齿轮箱和发电机、变压器、换流器等。在此基础上，又重点讲述了风力发电机的控制技术。除了介绍技术内容外，本书还讨论了风力发电项目的经济性和基本的财务评估方法。本书没有深奥的理论内容，而是偏重于实际应用的介绍。因此，既可以为专业技术人员提供一定的参考，又可以作为非专业人员的入门性读物，尤其适用于正在从事或打算从事风力发电方面工作的读者。译者序您对风力发电感兴趣吗？您考虑找一份风力发电行业的工作吗？其实，风力发电机虽然不像家电那么简单，但也并没有那么神秘，风力发电正在深入到我们每个人的生活中。随着电网的不断智能化，以及绿色建筑理念的不断普及，在不久的将来，风力发电系统会成为我们生活中的重要元素。近年来，已经有不少企业或者个人专门从事这个领域的经营、安装、服务、咨询等业务。然而，风力发电机方面的入门书籍非常少。因此，机械工业出版社与圣智学习出版（CENGAGE Learning）公司联系，决定引进本书，希望将本书翻译成中文后出版，便于大众能够对风力发电机有基本的了解。本书译者多年来从事电力系统和电力电子相关领域的研究工作，对可再生能源发电技术非常感兴趣，也希望推动可再生能源发电在配电网的普及应用，因此很愉快地承担了本书的翻译工作。由于本书没有深奥的技术理论，而是偏重于实际应用的介绍，所以是非专业人员不可多得的入门性读物。衷心希望本书能够为国内可再生能源技术的推广贡献一份绵力。本书第 1 7 章和第 16 17 章由张春朋翻译，第 8 15 章由戚庆茹翻译。另外姜齐荣、刘阅春、魏应冬、王亮、洪芦诚、杜威、田钰笙、刘国伟、张曼、王成福、林飞、马莉、莫昕、魏鹏环、吕恭祥、戚广艳、李宁波、黄慧明等人也参与了部分翻译与修改整理工作，在此一并表示感谢！为了尽量保持原书的风格，书中部分文字符号和图形符号并未完全按照国家标准统一，这点请广大读者注意。同时，需要特别指出的是，译者严格遵照原书展开翻译工作，书中内容并不代表译者及其所在单位的观点。另外，正如原书前言所说，本书配有教师资源光盘，有需要的老师可与我们联系，联系的 E-mail 地址是 或 43737605 。由于译者水平有限，翻译中错误之处在所难免，希望读者批评指正。原 书 前 言本书介绍了风能和风力发电机，旨在为四年制或两年制的大一学生提供一本通俗易懂的教科书，他们通常尚未学习相关的电气和机械的基础课程，而这些课程却是学习后续新课程所必需的。本书也会成为那些意欲丰富本课程知识的人们的基本自学材料。在假定本书的读者之前没有接触相关课程的情况下，本书阐述了风能技术和风力发电机工作的原理。风力发电机是一种复杂的机电系统。为了理解其运行的基本原理，读者应当了解一些机械和电力方面的内容。考虑到不具备这些知识的高中毕业生或者热衷于风能的人，有关的内容会在各章独立阐述。与机组技术相关的较新知识将作为主要内容来讲，具有预备知识的读者无需一字不落地阅读每章的全部内容，而对于需要巩固和温习前期知识的读者，则可以通读每章而无需再去找其他学习资料。这样，便于学生对相关内容获得充足的背景知识，从而很好地理解本书的主题。要较好地了解风力发电机技术，需要熟悉很多内容，比如电力和电气元部件、机械学和动力学、液力学以及控制系统，本书避免涵盖所有这些内容而变成一本过多主题的合集。尽管在本书的开头部分采用了较为简单的方式涉及了所需的最少的数学知识，不过相关的数学公式还是在所难免的。随着本书的逐步进展，希望读者具有更强的适应能力，尤其是学生读者，因为本书与其他的技术教程将同步开展。在很多章的末尾部分，会有标着“进阶学习”的单独一节，这是面向那些想更深入了解该章内容或者选题的读者的。虽然公制测量系统是风力发电机技术所选用的，但美制测量系统也总是与公制系统一起使用的。补充本书配有教师资源光盘。光盘中的内容包含每章后面复习题的答案要点，标出各章重点内容的 PowerPointTM讲稿幻灯片，有 ExamView 计算机测试题库，以及含有本书图片电子版的图库。原 书 致 谢作者和出版者要感谢以下教育工作者，在改善本书内容的过程中，他们给予了有益的和建设性的评论与建议：Craig Evert，艾奥瓦社区学院Donnin Custer，西艾奥瓦技术社区学院George Lister，德克萨斯州州立技术学院西德克萨斯分校Chad Kurdi，邓沃迪技术学院Lucas J.Chavey，克劳德郡社区学院作者特向 Craig Evert、Lucas J.Chavey 表示感谢，他们为本书提供了图片；同时也要向为本书提供照片的个人、公司和研究所表示衷心的感谢。另外，我要感谢手稿的编辑们，他们做出了高品质、专业的工作。特别感谢我的妻子，她给予我一贯的、切实的支持。量 纲 转 换 长度1ft 0.3048m1in 0.0254m1m 3.28084ft1m 39.37in1mile 5820ft1mile 1609.34m1m 1000mm1ft 304.80mm面积1ft20.0929m21m210.764ft2体积1ft30.02832m31m335.3174ft3质量1lb 0.453kg1kg 2.208lb力1lbf 4.444N1N 0.2250lbf 速度1mile h（mph）1.4667ft s1mile h（mph）0.4470m s1ft s 0.682mile h（mph）1m s 2.237mile h（mph）1km h 0.27778m s1km h 0.6214mile h（mph）密度1lb ft316.0185kg m31kg m30.06243lb ft3压强1lbf in2（psi）6888 帕 6.888kPa1Pa 0.000145lbf in2（psi）力矩1lbfft 1.3545Nm1Nm 0.73827lbfft功率1ftlbf s 1.3545W1W 0.73827ftlbf s1W 1Nm1hp 550ftlbf s1hp 746W 原书有误，1lbf 4.44822N。译者注 原书有误，1N 0.2248lbf。译者注 原书有误，1lbf in26894.76Pa 6.89476kPa。译者注 原书有误，1lbfft 1.35582Nm。译者注 原书有误，1Nm 0.73756lbfft。译者注 原书有误，1ftlbf s 1.35582W。译者注 原书有误，1W 0.73756ftlbf s。译者注目录译者序原书前言原书致谢量纲转换第 1 章 简介1 1.0 引言2 1.1 历史背景2 1.2 可再生能源的重要性3 1.3 技术问题4 1.4 风电场开发6 1.5 风力发电机的选址7 1.6 新技术与未来技术8 1.7 本书的内容安排9 1.8 本章小结11 复习题12 应用题12 项目13 参考文献13第 2 章 风中的能量14 2.0 引言15 2.1 运动物体中的能量15 2.2 运动流体中的能量16 2.2.1 在管道中运动的流体16 2.2.2 无界限运动的流体17 2.3 风的功率18 2.4 风力机吸收的功率19 2.5 风速的变化19 2.5.1 风速随时间的变化20 2.5.2 风速随高度的变化22 2.5.3 风速随地形的变化23 2.5.4 风速随地域的变化24 2.6 本章小结25 风力发电机组技术与应用 进阶学习26 复习题27 应用题28 项目28第 3 章 基本知识29 3.0 引言30 3.1 来自于风的力30 3.2 空气动力33 3.3 升力系数和阻力系数34 3.4 翼型35 3.5 本章小结39 进阶学习40 复习题41 应用题42 项目43第 4 章 风力机的基本类型：分析和特点44 4.0 引言45 4.1 风力机分类45 4.2 螺旋桨型风力机46 4.2.1 螺旋桨型风力机叶片和风力47 4.2.2 叶片的扭转50 4.2.3 偏航进风或偏航出风51 4.3 H 风轮53 4.4 达里厄风力机54 4.5 萨伏纽斯风轮55 4.6 本章小结58 进阶学习58 复习题59 项目60第 5 章 三叶片螺旋桨型风力机及其零部件61 5.0 引言62 5.1 机械部件63 5.1.1 塔架64 5.1.2 基础66 5.1.3 风轮（叶片和轮毂）68 5.1.4 机舱71 5.1.5 齿轮箱73 5.1.6 风力机制动76目 录 5.2 电气部件77 5.2.1 发电机77 5.2.2 变压器79 5.3 其他部件80 5.4 本章小结81 复习题82第 6 章 电力和发电83 6.0 引言84 6.1 交流和直流85 6.2 电气参数86 6.2.1 电流、电流方向和频率86 6.2.2 电压和功率88 6.3 电机89 6.3.1 电动机90 6.3.2 发电机92 6.4 直流电机93 6.4.1 一般性知识93 6.4.2 直流电机的实际问题94 6.5 交流电机95 6.5.1 一般性知识95 6.5.2 交流电机的实际问题96 6.6 电路中的电源和负载97 6.6.1 将负载接至电源97 6.6.2 发电机并联99 6.6.3 风力机并联100 6.7 本章小结104 进阶学习105 思考题106 应用题108 项目108第 7 章 螺旋桨型风力机的特性110 7.0 引言111 7.1 机械功率111 7.1.1 直线运动的功率112 7.1.2 旋转运动的功率113 7.2 图114 7.2.1 第一个例子114 7.2.2 第二个例子116 风力发电机组技术与应用 7.3 风力机的机械功率116 7.3.1 改变风力机角速度和叶尖速比的作用118 7.3.2 改变叶片桨距角的作用121 7.4 风力机功率随角速度的变化122 7.5 风力机的日发电量124 7.5.1 问题的提出124 7.5.2 解答125 7.5.3 变桨距风力机127 7.6 年发电量129 7.7 本章小结130 进阶学习131 复习题132 应用题133 项目134第 8 章 并网136 8.0 引言137 8.1 电功率137 8.1.1 直流电功率138 8.1.2 交流电功率139 8.2 并网功率需求156 8.3 谐波和电能质量158 8.4 风力机作为分立发电机159 8.5 孤岛效应160 8.6 本章小结161 进阶学习163 复习题164 应用题165 项目166第 9 章 风力机的机械系统167 9.0 引言168 9.1 齿轮箱的基本知识168 9.1.1 根据齿轮轴线的齿轮分类170 9.1.2 根据齿形的齿轮分类171 9.1.3 其他齿轮类型171 9.1.4 行星齿轮171 9.2 传动比173 9.2.1 两个齿轮的传动比和速度比173 9.2.2 齿轮系的传动比和速度比175目 录 9.2.3 行星齿轮的速度比178 9.3 速度和力矩的关系179 9.4 齿轮上的机械负载180 9.5 摩擦和耗损181 9.6 润滑和冷却182 9.7 效率182 9.8 齿轮的游移184 9.9 齿轮的一般性问题和齿轮失效185 9.10 本章小结189 进阶学习190 复习题192 应用题193 项目194第 10 章 风力机的控制 第 1 部分：机械侧195 10.0 引言196 10.1 功率与风速相一致196 10.2 风速测量198 10.3 功率计算198 10.4 输出功率的质量与要求200 10.5 叶片的桨距控制201 10.6 风力机的运行功率曲线204 10.7 偏航控制205 10.8 停车制动206 10.9 故障控制207 10.10 本章小结209 进阶学习2