风力发电测试技术.pdf

内 容 简 介 本书系统介绍了风力发电测试技术的原理与测试方法，包括测量与测量误差基础知识，风力发电中各种基本物理量的测量技术，风力发电机组主要部件测试技术，振动与噪声测试技术，整机的安全保护功能、控制功能及运行性能测试技术等，最后简要介绍了风力发电机组的质量认证。本书在介绍风力发电测试技术的基本理论和测试方法的同时，力求向读者展现该领域的最新成果与发展动向，以启发读者在风力发电测试领域的研究和创新。本书可供从事风力发电研究、生产和运行的技术人员阅读和参考，也可作为高等学校相关专业的教学用书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 风力发电测试技术/姚兴佳等著.北京：电子工业出版社，2011.3（风力发电工程与应用丛书）ISBN 978-7-121-13054-0.风 .姚 .风力发电测试技术 .TM614 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2011）第 038804 号 责任编辑：张 剑 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7201 000 1/16 印张：28.25 字数：602 千字 印 次：2011 年 3 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：69.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。丛 书 序 近十年来，风力发电在世界范围内得到了持续高速发展，为应对全球气候变化作出了重要贡献。风力发电清洁能源的兴起已成为低碳经济的重要标志之一。虽然我国的风力发电产业起步较晚，但近年来，在政府的大力倡导下，呈现了高速增长的态势，大有后来居上的趋势。风力发电是一项新兴的综合性学科，涉及广泛的技术领域，包括气象学、空气动力学、机械电子工程、电力电子技术等，从业的工程技术人员需要通过系统的学习和培训，才能胜任相关的技术工作。目前，由于产业发展速度较快，相关技术人才十分紧缺。电子工业出版社组织国内风力发电专家编写了“风力发电工程与应用丛书”，内容包括了风电场的开发与建设，风力发电系统的设计、运行与维护，风力发电测试技术，现代风力发电技术及工程应用等，涉及内容广泛，可作为从事风力发电工作的各类技术人员的学习、培训教材，也可作为高等院校师生和相关工程技术人员的参考用书。相信丛书的出版，能够对培养我国风力发电专业技术人才，促进我国风力发电持续健康发展发挥重要的作用。中国工程院 院士 浙江大学 教授 序 能源问题一直是全球性问题，各国都在密切关注和探求未来能源的发展方向。2006 年 1 月 1 日，中国颁布实施了可再生能源法，把开发利用可再生能源作为可持续发展战略的重要组成部分。在可再生能源中，风力发电的发展很快，在技术上已经逐渐趋于成熟。在我国，风力发电更是得到了超常规、规模化的迅猛发展。然而，我国风力发电快速发展的主要标志还仅仅体现在风电场的装机容量上，倒机、火灾、飞车、振动等各类事故时有发生，机组额定功率年运行时间均值远低于 2000 小时，这些都充分暴露了我国风电发展面临整机及关键零部件测试技术相对落后的瓶颈问题。要使规模化发展的风力发电成为名副其实的替代能源、节能减排的生力军，还需要我们在风力发电测试技术研究、测试人才培养两个方面开展卓有成效的工作。本书的出版实现了作者多年的夙愿，可以说是二十余年坚持自主创新的沈阳工业大学风能研发团队及其合作伙伴在教学、科研和生产实践中取得的大量科技成果的结晶，填补了国内、外风力发电领域在测试技术文献方面的一个空白。该书立题新颖、结构严谨、内容翔实，对风力发电技术中的基本物理量测试技术，主要部件测试技术，整机功能与性能测试技术，以及振动与噪声测试技术等作了较全面介绍。对于从事风力发电研究的企、事业单位科技工作者、高等院校师生，特别是从事风力发电测试工作的专业技术人员，本书无疑是一本系统学习风力发电测试技术的良师益友，也是一本可供随时查阅的技术手册。风力发电是一个涉及多领域、多学科的系统工程，是一项惠及子孙后代的伟大事业，只有大家齐心协力，才能把这件事情真正办好。中国工程院院士 2010 年 12 月 8 日 前 言 近年来，随着煤炭、石油等化石燃料的日渐枯竭及气候变暖等环境问题的影响，可再生能源的开发利用越来越受到人们的重视。风能是可再生能源的重要形式之一。风能的主要利用方式是风力发电，即把风的动能转换成电能，然后再加以利用。在可再生能源领域，风力发电是技术上最成熟、最具规模化开发和商业化发展前景的分支领域。截至 2009 年年底，全球风力发电总装机容量已经达到 157.899GW，并且以大约30%的速度增长；我国累计装机容量也已跃过 20GW 大关，达到 25.8053GW，风电装机容量居世界第 2 位；2009 年当年，我国新增风电装机 10129 台，装机容量13.8032GW，占全球新增风电装机的 1/3，超过美国排名全球第一。目前，我国已经基本掌握单机容量 1.5MW 以下大型风力发电设备的制造技术，消化吸收国外先进技术和自主研发的具有自主知识产权的 0.82.0MW 变速双馈风力发电机组及变速直驱风力发电机组已经开始规模化批量生产。2009 年，首批 3.0MW 功率等级的海上风力发电机组已经在上海、江浙等近海区域风电场投入运行，5.0 MW 风力发电机组也正在加速研制过程中，有望短期内取得突破性成果。在国家风力发电设备国产化政策的有力推动下，风力发电设备零部件制造水平也有了较大提高，具备了叶片、齿轮箱、发电机、控制器和变流器等关键部件的设计、制造能力。与快速发展的风力发电技术和风电产业相比，我国的风力发电测试技术显得相对落后，这一点主要表现在风力发电机组整机、部件测试技术和运行性能测试技术水平还不能适应风力发电技术快速发展的需要。风力发电技术是涉及空气动力工程、机械工程、电气工程、信息及计算机工程、力学工程、电力电子变流技术等多种学科的综合技术，科技含量高，技术难度大；风力发电机组面对的是台风、雷电、潮湿、盐雾、酷热、高寒等各种恶劣的工作环境及严格的电网条件，运行工况复杂而多变。来自外部和内部的种种因素使风力发电机组的可利用率、风电转换效率及使用寿命受到很大影响，很多重大事故的发生，往往源于一个数据的错误或一种信息的疏忽，因此，如何实现对风力发电机组从零部件到整机的设计、制造，直至并网运行的全过程进行跟踪检测，成为提升风电设备质量、确保风电产业健康发展的重要环节之一。风力发电测试技术是风力发电技术的重要组成部分，风力发电技术的发展离不开测试技术的进步，测试技术的进步又保证和促进了风力发电技术的发展。作者二十余年从事风力发电研发的实践有力地证明了这一点。因此，需要积极推动风力发电测试技术的研究和相关人才的培养，以便为我国风力发电的大规模开发和利用准备必要的技术和人才支持。本书作者就是在这样一种责任感的激励下策划并最终完成了本书的。本书对风力发电测试技术作了较为系统的介绍，是作者在多年教学经验和科研、生产实践的基础上，综合已获得的“风轮功率输出模拟系统”、“风力发电机综合检测仪”、“台架式动平衡实验台”、“兆瓦级变速恒频风电机组测试系统与现场试验研究”等相关研究成果，并参考了大量文献资料和国家有关标准后精炼而成的。全书共分 7 章，第 1 章简要介绍有关测量和测量误差的基础知识；第 2 章介绍风力发电中一些基本物理量的测量，包括风参数的测量，基本电量和基本机械量的测量、谐波测量及温度测量等；第 3 章介绍风力发电机组主要部件的测试，包括风轮叶片、主传动装置、发电机、变流器及偏航、变桨距、制动等执行机构的测试；第 4 章重点介绍风力发电机组的噪声与振动测试，精辟的理论分析和丰富的应用实例是本章的一大亮点；第 5 章介绍风力发电机组的整机测试，首先介绍整机试验平台的原理、结构和功能，然后介绍整机的安全系统测试、控制系统测试和整机现场测试技术等；第 6 章介绍风力发电机组的运行性能测试，包括功率特性测试、电能质量测试和载荷测试等；第 7 章简要介绍有关风力发电机组质量认证的基本概念、主要内容、操作流程和检验规范等。本书在强调风力发电测试技术的基本原理和测试方法的同时，力求向读者展现风力发电测试技术的最新成果和发展动向，以启发读者在这一工作领域的研究与创新。姚兴佳教授是本书的主要策划者、组织者和执笔人；唐德尧教授及其团队（包括曾承志、李合林、王晓立、王智、曾明军）完成了第 4 章；宣安光高级工程师完成了第 3 章的齿轮箱测试部分；张锦南高级工程师及其团队（包括王建新、郭辉、李东海）完成了第 3 章的风轮叶片测试部分；参加本书其他章节执笔的还有王益全教授、邢作霞副教授、单光坤副教授、王英博、宋筱文、刘颖明、王晓东、王士荣和井艳军等。由姚兴佳教授完成全书的审稿和定稿工作。本书是以风力发电测试技术为主题而成书的首次尝试，是在沈阳工业大学风能技术研究所、北京唐智科技有限公司、上海玻璃钢研究院有限公司和杭州前进齿轮箱集团有限公司等单位及其相关人员的共同努力下完成的，本书的完成有赖于上述单位丰富的科研成果和生产实践经验。东方汽轮机厂、沈阳华人风电科技有限公司、沈阳博鉴检测有限公司等单位为本书提供了资料、图片及咨询等方面的支持，在此一并表示感谢。对于电子工业出版社及其相关人员在本书完成过程中所给予的指导和帮助谨致谢意。在编写本书过程中所参考的主要著作和论文已列入书后的参考文献中，以便读者进一步查阅，对于这些文献的作者对本书的贡献，作者表示衷心感谢。由于作者水平有限，书中缺点和错误在所难免，敬请读者批评指正。姚兴佳 2010 年 8 月 风力发电工程与应用丛书编委会 主 任 委 员：叶杭冶 副主任委员：姚兴佳 王志新 委员：（以姓氏笔画为序）王益全 申新贺 史晓鸣 邢作霞 许国东 陈 棋 丛 书 策 划：张 剑 XI 目 录 第 1 章 测量与测量误差基础.1 1.1 测量基础知识.1 1.1.1 测量与单位.1 1.1.2 国际单位制.2 1.1.3 测量仪表.4 1.2 测量误差基础.7 1.2.1 测量误差的来源与分类.7 1.2.2 测量误差的表示方法.8 1.2.3 有效数字.11 第 2 章 基本物理量的测量.12 2.1 风的测量.12 2.1.1 测风仪.12 2.1.2 测风的技术要求.17 2.1.3 测风方法.20 2.2 基本电量测量.24 2.2.1 仪用互感器.25 2.2.2 电量变送器.26 2.2.3 电压与电流的测量.31 2.2.4 电功率测量.35 2.2.5 功率因数和频率的测量.38 2.3 谐波的测量.41 2.3.1 谐波分析原理与应用.41 2.3.2 非正弦电量测量原理.47 2.3.3 谐波的测量.49 2.4 转速、应力和转矩的测量.51 2.4.1 转速的测量.51 2.4.2 应力的测量.54 2.4.3 转矩的测量.57 2.5 温度的测量.62 2.5.1 电阻法.64 XII2.5.2 埋置检温计法.65 2.5.3 温度计法.68 2.5.4 红外测温技术.69 2.5.5 数字温度传感器.71 第 3 章 主要部件测试.73 3.1 概述.73 3.2 风轮叶片测试.75 3.2.1 气动性能试验.75 3.2.2 固有特性试验.80 3.2.3 静力试验.82 3.2.4 疲劳试验.86 3.3 主传动装置测试.89 3.3.1 风力发电机组主传动装置的特点.89 3.3.2 齿轮箱测试技术.91 3.3.3 齿轮箱测试技术基础.96 3.3.4 齿轮箱测试实例.115 3.4 发电机测试.120 3.4.1 空载试验.120 3.4.2 温升试验.127 3.4.3 损耗与效率的测定.132 3.4.4 工作特性测试.137 3.5 执行机构测试.142 3.5.1 液压站测试.142 3.5.2