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第1章 海上风力发电：发展现状与展望1

1.1引言1

1.2海上风电的发展和投资成本1

1.3海上风力发电成本4

1.4在建和计划中的海上风场5

1.5未来技术发展6

1.6未来海上风电发展展望7

1.7海上风力机长期成本前景8

1.8新的离岸概念9

1.9结论11

第2章 风力机原理13

2.1引言13

2.2风电发展13

2.3风力机如何运行13

2.3.1叶片旋转13

2.3.2旋转速度：叶尖速比λ14

2.3.3风速变化时的叶轮转动速度15

2.3.4叶片数量17

2.3.5从风中获取的能量17

2.3.6风能17

2.3.7功率曲线18

2.3.8设计尺寸18

2.4海上还是陆上19

2.5环境影响20

2.5.1场区域和利用20

2.5.2视觉影响20

2.5.3听觉噪声20

2.5.4飞鸟撞击21

2.5.5电磁干扰21

2.5.6可持续性21

第3章 地中海的风浪条件22

3.1地中海海洋特征22

3.2地中海风浪数据资料22

3.2.1观测23

3.2.2数学模型24

3.3综合不同数据得到相容的数据集27

3.4结论28

3.4.1 Medatlas工程28

3.4.2地中海海盆海洋风统计30

3.4.3意大利海岸沿线风能估计31

3.4.4各评估结果的比较32

3.5致谢33

第4章 海洋风能气候和气象预测35

4.1引言35

4.1.1本章目的与结构35

4.1.2大气变化尺度35

4.1.3大气稳定度35

4.1.4风速分布及其对能量密度和电力生产的影响39

4.1.5丹麦现有的海上风力发电场40

4.2资源评估41

4.2.1长期风能资源预测：气候变化的影响41

4.2.2在稳定气候下预测风力发电场在寿命期的风力资源观测风速来源46

4.2.3风速和能量密度的气候鲁棒性估计46

4.2.4外推垂直风速剖面47

4.3从风资源到风能：尾流的影响49

4.3.1风力机尾流49

4.3.2尾流模型简介49

4.3.3尾流尺度评估和单尾流中的尾流模式50

4.3.4多尾流中的尾流模式52

4.4风场短期功率输出：海上有什么不同吗53

4.5小结53

4.6致谢54

第5章 风力机的电力技术60

5.1引言60

5.2风力机的能量控制61

5.3风力发电机62

5.3.1感应发电机62

5.3.2同步发电机62

5.3.3直接驱动发电机63

5.4现代电力电子变换技术与系统63

5.5风力发电机组的电力变换系统66

5.5.1恒定速度的风力发电机组66

5.5.2变速风力发电机组69

5.5.3风力发电机系统的总结74

5.6风力发电机组的控制75

5.6.1带有鼠笼型转子感应发电机的主动失速风力发电系统75

5.6.2带有双馈发电机的变桨距控制76

5.6.3具有全额定功率电力电子装置的风力发电机系统77

5.7风场电网的结构布局78

5.8风力机与电网并车运行80

5.8.1风力机并网运行的条件80

5.8.2电压质量评定82

5.9电力系统中风力机性能的改进84

5.9.1电压闪变最小化84

5.9.2提高电力系统的稳定性87

5.10结论91

第6章 风场电力连接95

6.1介绍95

6.2海上集电系统96

6.2.1电力集电系统的布局98

6.2.2直流集电系统100

6.2.3变频交流集电系统101

6.2.4集电系统的最优化101

6.3海上变电站102

6.4海上输电系统103

6.4.1高压交流传输104

6.4.2高压交流输电能力105

6.4.3具有电网换相换流器的高压直流传输108

6.4.4使用自换相电压源换流器的高压直流传输112

6.4.5不同输电技术的并网运行114

6.5传输技术的总结115

6.6可靠性评估115

6.6.1基于电网换相换流器的高压直流传输系统的可靠性116

6.6.2“缺供电量”的计算方法117

6.6.3结果120

6.7输电系统的经济性评估120

6.8结论121

6.9致谢121

第7章 监管框架：并网接入和市场机制126

7.1引言126

7.2可再生能源规范126

7.3风力发电的促进方案127

7.3.1市场一体化127

7.3.2现行促进措施127

7.4可再生能源融入电力市场128

7.4.1电力市场的价格与成本128

7.4.2供电的安全性129

7.4.3配电优先权129

7.4.4可再生能源的跨界传输129

7.5系统成本130

7.5.1网络连接成本130

7.5.2系统运营成本130

7.6可再生能源技术整合131

7.6.1电网扩展132

7.6.2系统稳定性132

7.6.3风场管理失衡成本132

7.6.4跨界输电的不利影响132

第8章 海上风力机：动力学和疲劳134

8.1引言134

8.2主要术语134

8.3随机过程134

8.4波浪和海流135

8.4.1波浪的描述135

8.4.2随机波浪的描述137

8.4.3作用于结构物上的波浪载荷139

8.4.4极限波、非线性波理论以及破碎波141

8.4.5长期波的描述142

8.4.6海面升高：潮汐143

8.4.7海流143

8.5风144

8.5.1风速144

8.5.2风切变和湍流144

8.5.3极限风速和阵风146

8.5.4长期风速分布147

8.6风轮148

8.6.1概要148

8.6.2风能捕获151

8.6.3湍流中的风力机153

8.7海上风力机动力学154

8.7.1动力学基础154

8.7.2柔性和刚性风力机系统156

8.7.3支撑结构动力学设计选项157

8.7.4环境补偿158

8.8疲劳基本考虑159

8.8.1概要159

8.8.2疲劳范例159

8.8.3 S-N曲线和Miner法则160

8.8.4计数方法161

8.9基础162

8.9.1土壤性质162

8.9.2模型基础163

第9章 深水海上风能168

9.1引言168

9.2历史168

9.3深海风电场的效益170

9.4概念设计要求172

9.4.1风力机配置173

9.4.2原料和成组技术174

9.5备选概念设计方案175

9.5.1松弛式系泊系统175

9.5.2张紧式系泊178

9.5.3深水座底式支撑结构179

9.6结论和挑战179

第10章 海上风电场的可达性182

10.1引言182

10.1.1安全性182

10.1.2经济性182

10.1.3增加复杂性的其他因素182

10.1.4提高实用性的需要183

10.2良好可达性要求183

10.2.1环境条件183

10.2.2技术要求184

10.2.3可达性系统的成本184

10.3可达性系统构成185

10.3.1现有船舶和运载工具185

10.3.2船舶入坞风力机187

10.3.3人员运送188

10.4经验及系统分析188

10.4.1瑞典/丹麦/英国188

10.4.2基础类型的影响190

10.4.3以上两个系统相结合的技术192

10.4.4正常可达和紧急救助193

10.5未来技术193

10.5.1 OAS193

10.5.2 Ampelmann193

10.6结论193

第11章 标准与认证194

11.1引言194

11.2标准194

11.2.1总述与比较194

11.2.2未来发展196

11.3风力机和风电场认证198

11.3.1概要198

11.3.2设计要求199

11.3.3型式认证206

11.3.4项目或风电场认证213

11.3.5有效性与重新认证219

11.4风险评估220

11.4.1概要220

11.4.2风险分析220

11.4.3尽职调查226

11.4.4状态监控228

11.4.5其他要求229

11.5小结229

第12章 深水海上风力机基础233

12.1引言233

12.2结构解决方案233

12.2.1选择基础233

12.2.2海上风力机和深水基础的数据235

12.2.3中高功率风力机的金属支撑结构237

12.2.4 2 MW海上风力机的支撑结构240

12.2.5 4 MW和6 MW海上风力机的支撑结构242

12.2.6浮式和非浮式基础结构244

12.3基础结构设计245

12.3.1设计数据245

12.3.2设计分析247

12.4建造和运输249

12.4.1建造249

12.4.2运输250

12.5安装和拆除250

12.5.1单桩250

12.5.2三脚桩251

12.5.3三腿或四腿导管架251

12.5.4风力机252

12.5.5使用寿命结束后拆除253

12.6重量和费用评估254

12.6.1重量对比254

12.6.2费用对比255

12.7结论259

第13章 海上风力机材料262

13.1引言262

13.2叶轮部件264

13.2.1叶片265

13.2.2螺栓连接275

13.2.3变桨驱动275

13.2.4轮毂和轮毂外壳275

13.3机舱部件材料277

13.3.1主轴278

13.3.2齿轮箱278

13.3.3发电机279

13.3.4偏航驱动280

13.3.5轴承281

13.3.6联轴器281

13.3.7机械制动281

13.3.8机舱罩282

13.4支撑结构材料283

13.4.1塔架283

13.4.2基础284

13.5寒冷气候问题287

13.5.1复合材料288

13.5.2金属材料289

13.5.3其他材料290

13.6海上风力机材料的选择过程290

13.6.1管状塔架材料设计291

13.6.2叶片材料设计296

13.7结论299

词汇表302