科技信息 博士・专家论坛 基于叶尖速比控制昀风力发电昀最大风餐捕获分析 中国矿业大学（徐州）信息与电气工程学院张课 ［摘要］本文从风力机运行特性出发，根据空气动力学原理，对风能捕获的原理进行推导，分析了基于叶尖速比控制的风力发电机 控制策略，并且对发电机工作的状态进行简单说明。 ［关键词］发电机 风能利用系数 叶尖速比 １．引盲 Ｐｍ＝ｌ 风能是一种具有随机性、不稳定性特征的能源，风能的获取不仅与 风力发电机的机械特性有关，还与其采用的控制方法有关。好的控制 方法可使风轮的转速迅速跟踪风速变化，使风力发电机始终保持在最 ｐｓＣｐｍ （ （５） 由（５）式可得到风轮机的输出功率Ｐｍ与转速Ｗ 的特性，在不同的 风速下，风力机的输出功率Ｐｍ与风轮角速度Ｗ 呈非线性关系，如图２ 佳叶尖速比上运行，从而最大限度地获得风能 。本文对基于叶尖速比 控制的风力发电的最大风能捕获方法进行了分析与介绍。 ２．风能利用原理 风能的计算： 由流体力学可知，气流的动能为： Ｅ：ｌｍｖ ｆ１） 式中ｍ一气体质量，ｍ＝ｐｖｓ，、 一气体的速度（风速）ｒｄｓ，Ｐ一空气 密度，ｋＣｍ’，ｓ—气流流过的截面积，ｍ 那么，风能的表达式为： Ｅ＝去ｐｓｖ （Ｗ） （２） 经风力机后，能得到的输出功率（机械功率）为： Ｐｍ＝去Ｐ×ｖ ×ｓ×Ｃｐ （３） ｃｐ一风力机利用系数 从式（３）可得，在某一风速ｖ下，ｃｐ最大，则输出功率Ｐｍ可达到最 大值，这样可以最大限度利用风能。 ３．风能捕获原理 由图１可知ｃｐ的最大值为０．５９３。一般的水平轴风力机，Ｃｐ＝ ０．２—０．５，同时考虑到在风场中风力机会受到风速与风向波动的影响，实 际的Ｃｐ大致在０．４ 左右。 ２ ４ ６ Ｂ ｌｏ １２ １４ ＾ 图１风能利用系数ｃｐ与叶尖速比 关系曲线 风能利用系数ｃｐ是表征风力机效率的重要参数，是一个与风速， 叶片转速，叶片直径均有关系的量。定义风力机的另一个重要参数叶 尖速比入，即是叶片的叶尖线速度与风速之比。 ：粤：Ｖ Ｖ ＶＴ （４） 式中：Ｒ一叶轮半径（ｍ）；ｗ 一风轮角速度（ｒａｄ／ｓ）；ＶＴ一叶尖线速度 （ｍ／ｓ）。 在桨叶节距角不变时，随 变化，ｃｐ是变化的。在风速ｖ不变时，当 风轮转速变化时，ｃｐ是变化的，但又一个Ｃｐｍａｘ，对应的 称为最佳 。 风力机的风能利用系数，即风轮将风能转变为机械能的效率与叶 尖速比密切相关。风能利用系数Ｃｐ只有在叶尖速比 为一定值时才 能达到最大。如图２所示。 由（４）式得ｖ＝＿ｒｔｗ ｒ，带人（３）式得 一１０一 所示。 图２风力机输出功率Ｐ与Ｗｒ、ｖ的关系曲线 理论分析可以知道，风力机的输出功率是风速的立方函数关系，随 着风速增加，输出功率是无限大的。但是实际的变速风力发电机组受 到两个基本的限制： ①功率限制，所有的电路及电力电子器件都受功率限制； ②转速限制，所有的旋转部件的机械强度受转速的限制。 作为变速风力发电机组，一个重要的目标是追求最大限度地将风 能转变为电能，以提高机组的运行效率。风力发电机组可分为三个不 同的区域运行： ｃｐ恒定区 通过对发电机的转速进行控制ｃｐ不断上升，直到Ｃｐ＝Ｃｐｍａｘ，进人 ｃｐ恒定区，这时机组在最佳状态下运行。这段区域主要是调节发电机 组力矩，使转速随着风速而变化，使ｋ＝ｈ ，实现最大风能捕获。 转速恒定区 随着风速的增大，机组的转速也在增大，最终达到机组允许的最大 转速。维持这一转速不变，随着风速的增大，Ｃｐ值减小，机组的功率在 增大。 功率恒定区 随功率的增大，发电机组和变流器最终达到功率极限。随着风速 的增大，发电机的转速必须降低，使ｃｐ值迅速降低，从而该功率不变。 后面的两个运行区域主要靠伺服系统控制的桨距调节系统起作 用。在追踪最大风能运行的ｃｐ恒定区，要通过风力机与发电机配合， 使机组在不同的风速时运行在不同的转速下，保持Ｃｐ＝Ｃｐｍａｘ不变，最 大限度地捕获风能。 ４．总结 在变速风力发电系统中，最大风能追踪是其主要的控制目标之 一。本文对当前比较常见的几种最大风能追踪的方法进行详细的阐 述，希望对研究人员的研究工作和风力发电技术的进步提供有意义的 参考。 参考文献 ［１］余岳，欧阳红林，高平等三相ＳＶＰＷＭ整流器在风能最大功率 点追踪中应用［Ｊ］．电力自动化设备，２００６，２６（５）：１９—２２． ［２］凌禹，张同庄．变速风力发电系统控制技术综述［７］．电力自动化 设备，２００８，２８（３１：１２２—１２５． ［３］Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｋ Ｅ．Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｔｏｒｑｌｉｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＶａｒｉａｂｌｅＳｐｅｅｄ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ｄｊ．Ｇｏｌｄｅｎ，Ｃｏｌｏｒａｄｏ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌａｂ．２００４． １４ Ｊ Ｍｕｋｕｎｄ Ｒ．ｐａｔｅ１．Ｗｉｎｄ ａｎｄ Ｓｏｌｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｄｅｓｉｇｎ（风能与 太阳能发电系统：设计分析与运行），Ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ［Ｍ］姜齐 容，张春朋，李虹译．北京：机械工业出版社，２００８．８