第一章绪论
能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系，极大地推动了人类社会的发展。然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果；资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。
风能是太阳能的一种转化形式，是一种不产生任何污染物排放的可再生的自然资源。
风能的开发利用已有数千年历史。在蒸气机发明以前，风能就曾作为重要的动力，由于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。在几千年前，埃及的风帆船就在尼罗河上航行。中国是最早使用帆船和风车的国家之一，至少在三千年前的商代就出现了帆船。
受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来，风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30％，从1993年的216万kW上升到20XX年的4030万kW。
我国对现代风力机的研制可以追溯到20世纪50年代，但系统的研究始于20世纪70年代。20世纪80年代中期开始，我国从国外引进了一些大、中型风力发电机组并入电网。1986年山东荣成市建成中国第一个风电场，年均发电量为33万kwh，以后相继在福建平潭、广东南澳岛、新疆达坂城及内蒙古朱日和等地建立了风电场。
进入20世纪90年代以来，我国风电发展势头强劲，成为我国发展速度最快的能源工业，但是，我国安装的大型风力发电机组中90%是从国外进口。我国对现代并网型风力发电机的研究工作始于20世纪80年代，我国自行研制出的有20kw,30kw,75kw,120kw,200kw,600kw和1MW风力发电机组。
目前世界上有几十种型号的大型风力发电机组在商业化运行，大体可分为四种类型。第一种为双绕组定桨距恒速机型，以Bounsl,BOUNS2,Nordex60和Nordex63为代表。第二种为变滑差变速机型，主要代表VestasV63,VstasV66,VstasV80.第三种是采用双馈发电机转差励磁方案，实现变速变距运行的机型，主要代表机型有DeWind公司的
DeWindD6,D9，Tacke公司的TW-1.5，TW-2.0和Nordex80。第四种是采用直接驱动的永磁发电机，直接采用交-直-交功率变换系统送电，如德国Enercon E66、意大利Gamma60型等。当前国外大型风力发电机组的发展趋势是单机容量越来越大，机组运行越来越可靠，而维护量越来越小。
从国内外近几年风电产业发展看，随着风电产业的不断发展，风力发电机组控制技术也在不断发展，以满足其自身对风速变化、成本、环境及稳定运行等方面的要求，其主要发展趋势为：
（1）变桨距调节方式迅速取代失速调节方式。从目前市场看，变桨
距调节方式能充分克服失速调节不能充分利用风能的缺陷，因此，得到了迅速的应用。
（2）变速运行方式迅速取代恒速运行方式。由于变速运行方式能够
最大限度地利用风能，提高风力机的运行效率，因而被广泛采用。
第二章风力机的基本理论
风力机是一种叶片式机械，风机的桨叶与机翼类似，可用机翼升力理论描述。本章介绍了风力机的结构及分类、风力机空气动力学基础、桨叶受力分析以及风轮气动功率的调节等内容。
第一节风力机的结构及分类
风力发电是将风的动能转换为机械能，再带动发电机发电，转换成电能。
本节主要介绍风力机组的基本结构及分类。
一、风力机的结构
风力机的样式虽然很多，但其原理和结构总的来说还是大同小异的。这里以水平轴风力机为例作介绍。它主要由以下几部分组成：风轮、传动机构（增速箱）、发电机、机座、塔架、调速器（限速器）、调向器、停车制动器等，如图2-1所示。
(1)轮毂。风力机叶片都要装在轮毂上。轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在，在设计中应保持足够的强度。
（2）调速或限速装置。在很多情况下，要求风力机不论风俗如何变化，转速总保持恒定或不超过某一限定值，为此，采用了调速或限速装置。当风速过高时，这些装置还用来限制功率，并减小作用在叶片上的力。调速或限速装置有各种各样的类型，但从
原理上来看大致有三类：第一类是使风轮偏离主风向；第二类是利用气动阻力；第三类是改变叶片的桨距角。
图2-1 风力机的结构和组成
（3）塔架。风力机塔载有机舱及转子。通常高的塔架具有优势，因为离地面越高，风速越大。它可以为管状的塔架，也可以是格子状的塔架。管状的塔架对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子达到塔顶。格状塔架的优点在于它比较便宜。风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切联系，如果说塔架对小型风力机影响还不太大的话，对大、中型风力机的影响就不容忽视了。
（4）机舱。机舱包含着风力机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力机塔架进入机舱。
（5）叶片。捕获风能并将风力传送到转子轴心。现代600kw风机上每个叶片的测量长度大约为20m，而且被设计得很像飞机的机翼。
（6）低速轴。风力机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600kw风电机上，转子转速相当慢，大约为19—30r/min。轴中有用于液压系统的导管来激发空气动力闸的运行。
（7）齿轮箱。风力机转子旋转产生的能量，通过主轴、齿轮箱及高速轴传动到发电机。使用齿轮箱，可以将风力机转子上的较低速转、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。风力机上的齿轮箱通常在转子及发电机转速之间具有单一的齿轮比。对于600kw或750kw机组的齿轮比大约为1:50。
（8）高速轴及其机械闸，用于空气动力闸失效或风力机被维修时使用。
