在风力发电系统中，风力机风能捕获的过程直接决定了风力发电系统的风能利用效率。在风速恒定的情况下，风轮产生的机械功率可表示为......
2023-06-23
风力机数学模型的优化方案
【摘要】：在风力发电系统中，风力机风能捕获的过程直接决定了风力发电系统的风能利用效率。三叶片风力机叶尖速率比的典型值为8～10。定桨距风力机的优点是控制较为简单，其缺点是叶片结构复杂、笨重、整体效率较低。变桨距风力机是另外一种风力机，其与定桨距风力机的不同之处在于其可通过改变桨叶节距角来充分利用风能。图5-34 风力机的风能利用系数C特性曲线
在风力发电系统中，风力机风能捕获的过程直接决定了风力发电系统的风能利用效率。在风速恒定的情况下，风轮产生的机械功率可表示为
式中，Pwt为风轮捕获的风能；ρ为空气密度；R为风轮扫过的面积；v为风速；Cp（λ，β）为风能利用系数，是风轮机叶尖速率比λ和桨距角β的非线性函数。
风能利用系数通常可用下式来计算[136]
式中
式中，C1=0.5176，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068。
叶尖速率比λ为风轮叶尖线速度和风速的比值，即
λ=Ω lR/v （5-37）
式中，Ω l为风轮的转速。
三叶片风力机叶尖速率比的典型值为8～10。叶尖速率比影响风力发电机的风能利用系数，如图5-34所示。
风力机主要分为定桨距和变桨距两种。定桨距风力机的特点是桨叶与轮毂的连接是固定的，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之改变，只能利用桨叶翼型本身的失速特性，在风速高于额定风速时，降低效率，自动将功率限制在额定值附近。桨叶的这一特性，通常称为自动失速性能。因而，对于这类风力机而言，当风速改变时，不能通过调整桨叶的节距来改变气流对叶片的攻角，从而改变风力机组获得的空气动力转矩而保持输出功率稳定，而只能依靠改变发电机转速来调节风电机组功率，因而定桨距风力发电机组属于变速恒频风力发电系统。定桨距风力机的优点是控制较为简单，其缺点是叶片结构复杂、笨重、整体效率较低。变桨距风力机是另外一种风力机，其与定桨距风力机的不同之处在于其可通过改变桨叶节距角来充分利用风能。在一定风速范围内，通过桨距（气流对叶片的攻角）控制而维持风机转速的稳定，而在风速过大时，除了对桨叶进行节距控制外，还通过控制发电机转子电流来控制发电机转差率，使发电机转速在一定范围内能够快速适应风速的变化，从而使输出功率更加平稳。由于变桨距风力发电系统中，风力机转速在一定风速范围内可维持恒定，并能得到恒频的电能，因而可构成恒速恒频风力发电系统。
图5-34 风力机的风能利用系数C特性曲线
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