1、风力发电及风力机械特性研究 摘 要 随着不可再生能源的日趋萎缩，寻求可替代能源迫在眉睫，风力发电由于对环境没有污染，受到越来越多国家的重视，因此，对风力发电系统的研究意义重大。文章在对风力发电系统组成及其运行原理进行分析的基础上，提出风速自动跟踪控制策略，使风机在运行过程中得到及时的精确控制。 关键词 风力发电；替代能源；自动跟踪控制 基金项目 池州学院自然科学研究重点项目（项目编号： 2011ZRZ05） 作者简介 赵星，安徽省池州市供排水有限责任公司助理工程师， 研究方向：自动控制系统，安徽 池州， 247000；时国平，池州学院物理与机电工程系讲师，研究方向：电力系统自动化，安徽 池州，
2、 247000 中图分类号 TM315 文献标识码 A 文章编号 1007-7723（ 2011）11-0107-0003 能源是整个世界经济增长和发展最基本的驱动力，是人类赖以生存的物质基础。随着社会 生产的日益发展，经济的快速增长，人类对能源的需求也迅速增长。特别是石油、煤炭和天然气等不可再生能源的大量开采利用，地球储量日益减少。另外，在开发利用这些能源时产生大量的 CO2气体，会对地球环境造成严重污染，如：温室效应、酸雨、海平面的上升等环境问题。寻求可再生清洁型能源已成为当今世界的一个迫在眉睫的共同课题。因此，世界各国都在纷纷提高能源效率和改善能源结构措施的同时，积极研究如何充分开发利用
3、风力发电 。 一、风力发电系统的整体结构 风力发电系统整体结构如图 1所示。首先，通过自然界的风力吹 动风力机的螺旋桨，将风能转化为机械能，通过转轴带动发电机运行，将该机械能转化为电能，通过整流器将所得到的电信号进行整流，再将所得到的直流电进行功率变换。如是大型风力发电机组发出的电能可以直接输送到电网上；如是小型风力发电机发出的电能，一般用储能设备将发出的电能存储起来。目前小型风力发电系统中一般采用蓄电池作为储能设备。经过功率变换器变换后的电能可对直流负载进行直接供电，或者由逆变器进行逆变，将直流电转化为交流电，给交流负载供电 。 二、风力机械特性 （一）叶尖速比与风能利用系数 根据贝茨理论可
4、知，风力机从自然风中所获得的能量是有限的，能量的转换将会导致运动的风速下降，所以采用风力机和发电机的形式不同。风力机的实际风能利用系数 Cp 0.593，即贝茨理论极限值为 0.593，在 Cp的极限值范围内，风力机能够从自然风中获取的能量效率与 Cp 值成正比关系。对实际应用中的风力机， Cp 主要是由风轮叶片的结构设计和气动以及制造工艺水平决定。风力机单位时间内风轮捕获的风能 Pm 可用下式表示： （ 1） （ 2） 其中 ?籽为空气质量密度 (kg/m3)； S为风轮扫过的面积 (m2)； v为通过风轮时的实际风速 (m/s)； R 为风轮半径 (m)。 由式（ 1）、（ 2）可知，在空
5、气质量密度 ?籽、风轮半径 R 和风速 v一定时，单位时间内风轮捕获的风能 Pm 与风能利用系数 Cp 成正比，而 Cp 与风轮固定叶尖速比 ?姿有关， ?姿可以表示为： （ 3） 其中 ?棕为风力机角速度 (rad/s)， n 为风力机转速 (r/min)。 风力机特性与风能利用系数 Cp、风轮固定叶尖速比 ?姿和桨叶节距角 ?茁三者之间有关，其表达式如下： （ 4） 式中 ?姿， ?姿 1， ?茁三者之间 的关系为： （ 5） 当 ?茁一定时，典型的 Cp=f(?姿 )关系曲线如图 2所示。该曲线表示当桨叶节距角为一定值时，风能利用系数 Cp与叶尖速比 ?姿之间存在一定的变化曲线关系，其中
6、曲线的顶点表示风能利用系数达到最大值，即存在一点 ?姿m 与最大风能利用系数 Cpmax 对应，该点就是风力机的最大功率输出点。 （二）输出功率特性 在实际的风力发电系统中，风力发电机启动时，其内部的阻力需要有一定的力矩来克服，这一力矩就是风力发电机的启动力矩。启动力矩与风力发电机传动机构的摩擦阻力有关，风 力发电机工作时有一个最低工作风速vin（也称切入风速），一旦风速低于 vin 时风力发电机就不能正常工作。风力发电机工作时也有一个最高工作风速 vout（也称切出风速），一旦风速超过 vout 时，就要考虑塔架和桨叶的材料强度系数等因素，一般应该停止风力机运行。因此，风力机正常运行时的自然
7、风速介于切入风速 vin和切出风速 vout 之间，该风速称为风力机的工作风速。所以，要充分利用某地风力资源，就必须根据当地风能的切入风速 vin 和切出风速 vout 来确定相匹配风力发电机的机型。风力机的输出机械功率 Pm表达式如下： （ 6） 上式中， vin为切入风速， ve为额定风速， vout为切出风速， Pe为风力机额定输出功率。 图 3为风力机工作时的运行曲线，该曲线可运行于四个区域。其中：区域 A表示该区域内的自然风速小于风力机切入风速 vin，风能所提供的力矩小于风力机转子的启动转矩，风力机不能将风能转换为机械能；区域 B表示该区域内的风速介于风力机切入风速 vin 和额定
8、风速 ve 之间，风能所提供的力矩大于风力机转子的启动转矩，可以将风能转换为机械能，带动发电机转子进行工作，通过对发电机转子进行控制，让其转速随自然风速而变换，可以获得最大风能转换效率；区域 C表示该区域内的风速介于风力机额定风速 ve 和切出风速 vout 之间，该区域的风速较高，有可能损坏风能转换系统，如果调节馈入系统的风能，还是可以保持风力机在额定功率正常运行；区域 D 内的风速过大，已超出风力机切出风速 vout，会造成风力机转子速度过高和转矩过大而破坏了整个系统，就需要强制停机保护系统。 通过以上分析可知，风力发电机组不可能将风轮所扫略的面积 S内的风能完全转换为电能，存在一定能量损
9、耗，在工程上，转换效率一般为 35%。通过检测发电机的输出功率的大小来对系 统进行控制。当检测到发电机的输出功率保持稳定时，即风力机转速在正常工作转速范围内时，系统对蓄电池进行充电，同时检测发电机的输出功率；当检测到发电机的输出功率减小时，可通过调节系统的充电电路中功率开关管的占空比，实现对输出功率的调节；当检测到发电机的输出功率增大时，即风速超过切出风速vout 时，或蓄电池充满时，需要启动系统的卸荷电路进行卸荷，保证整个系统安全运行。 三、风力发电的控制策略 在智能型风力发电系统中，当风力发电机捕获的风能不能满足负载用电和蓄电池充电时，需要调节风力机按照最佳叶 尖速比运行，跟踪最大功率。风
10、力发电的最大功率点跟踪控制方法可以大致分为两类：风速自动跟踪控制和风机转速反馈控制。 1. 风速自动跟踪控制。风速自动跟踪控制策略的原理如图 4所示：首先由测速装置测出自然风速，根据风机最佳功率负载曲线计算出 Pg 作为控制系统的给定功率，将风力发电机实际输出功率的观测值 Pr与给定功率 Pg进行比较，所得到的误差量 P 由 PI 调节器进行调节，达到对风力发电机的输出电流大小的调节，再通过反馈环节，最终实现对风力发电机的输出功率进行调节。 此控制方案可以根据风速的变化适 时地调整风力发电机的输出电流值，从而使风力发电机的输出功率得到实时调整。该控制方案设计简单，又能使风力机保持在最大功率点处
11、工作，能量转换效率高。但由于确定风力机的最佳功率负载曲线，需要事先知道准确的风力机功率特性，所以实现本方案有一定的困难。 2. 风机转速反馈控制。风机转速反馈控制方案图如图 5所示。当风力机在正常区域内运转时，带动发电机在正常转速范围内工作，测出发电机的转速，利用转速和风力机的特征参数关系式，计算出 Pg 作为功率给定值，与发电机的输出功率的观测值 Pr 作比较，将所得到差值 P 经过 PI调节器后，得到发电机的输出电流的调节值，最终实现对发电机的输出功率进行实时调 节。 风机转速反馈控制策略是在风速自动跟踪控制策略的基础上进行了修改，二者的不同之处在于：风机转速反馈控制将发电机输出功率与风速
12、之间的关系转换成发电机输出功率与发电机转速之间的关系，实现了转速反馈。其效果不仅可以使系统工作在最佳功率负载曲线附近，而且使系统结构变得更简单、更可靠。与自动跟踪控制策略相比有如下优点： （ 1）控制策略简单，可以保证风力机工作在最佳功率负载线附近，能量转换效率较高，系统结构变得更简单、 更可靠。 （ 2） CP、 ?姿两个特征参数以及最佳功率负载曲线对应的功率与转距之间的关系式都较容易得到，只需知道风力机的转速就可以，而风力机的转速可以很方便求出，本方案实现难度较低。 四、结 论 本文通过对风力发电的组成和运行原理的分析，采用了风速自动跟踪控制策略，为今后制作风力发电样机奠定了坚实的理论基础。 参考文献 1左然 ,施明恒 ,王希麟 .可再生能源概论 M .北京 :机械工业出版社 , 2007. 2裴郁 ,我国可再生能源发展战略研究 D .辽宁师范大学 , 2004. 3张伯泉 ,杨宜民 .风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势 J .中国电力 ,2006,39(6). 4张希良 .风能开发利用 M .北京 :化学工业出版社 , 2005. 5尹炼 ,刘文洲 .风力发电 M .北京 :中国电力出版社 ,2002.
