风力发电机组整体运行效率的评估研究

风力发电机组整体运行效率的评估研究风力发电机组整体运行效率的评估研究 研究

马 宁，翟庆志，仝 超，王国成

(中国农业大学信息与电气工程学院， 北京 海淀区 100083)

摘 要：本文针对风力发电机组的整体运行效率进行评估，通过风轮机模型的分析以及对风力发电机的测试，得出了影响风轮机的风能利用系数和风力发电机的效率的因素。基于发电机效率测试，从而对影响发电机组的参数叶尖速比λ、及叶片桨距角β、风轮机转速n 等因素进行了分析，提出了提高发电机总体运行效率的更为准确的方法。

关键词：风能利用系数；发电机的效率；发电机组的整体运行效率；叶尖速比；叶片桨距角

0 引0 引 言

我国地域辽阔，广大边远地区地广人稀、

交通不便，常规能源短缺，而这些地区风力资源往往又比较丰富，所以充分发挥利用这些地区的风力资源来解决无电、缺电问题，对改善

这些地区人民的生活具有深远的意义[1]

。而为了提高风能资源的利用率，我们需要风轮机、发电机的效率以及整个发电机组的效率作准确评估，作为改进风力发电机性能的必要依据。

1 风轮机1 风轮机效率评估风轮机效率评估 效率评估

风轮的作用是将风能转换为机械能，由于流经风轮后的风能消耗不可能为零，也就是说风轮机不可能完全把风能转换为风轮机的机械能。由式（1）可知，在风速给定的情况下，风轮获的功率将取决于风能利用系数C [2]P 。

P '

123

1=

2

ρπR C P (λ) υ (1)风能利用系数C P 与叶尖速比λ关系曲线如图1、图2所示[3]，常用风能利用系数C P 对叶尖速比λ的表示了该风轮及空气动力特性。

C P

C P max

opt

°

图 1 β=0时C P 与 λ的关系曲线

C P

C P max

5°

opt

图 2 β取不同值时C P 与 λ的关系曲线

由图可知风能利用系数C P 不是常数，它与叶尖速比λ以及叶片桨距角β有关[3]。风轮

机有变桨距和定桨距两种，定桨距风轮机的风能利用系数C P 如图1所示，只与叶尖速比λ有关；变桨距风轮机的风能利用系数C P 如图2所示，既是叶尖速比λ的函数，也是叶片桨距角β的函数。在风速确定的情况下，叶片桨距角β不变，风能利用系数C P 在某个叶尖速比

λ达到最大值，这也是一般风力机的特性[4]

。

C P (λ, β) 可以用多种数学方程来表示，多项式拟合是比较简单的一种方法,但不够精确.下述方程是一种较为精确的表述[5]，本文采用此方法对风轮机曲线C P (λ, β) 进行拟合。

C c −c P (λ, β) =c 1(

2

−c 3β−c 4) e 1

λ+c 6λ (2)

1

1

1

λ=

−

0.035

(3)

1

λ+0.08ββ+1

当式（2）、（3）中c 1、c 2、c 3、c 4、c 5、

c 6为定值，根据不同的取值可以拟合不同的

C P (λ, β) 曲线，本文取c 1=0.5176、c 2=116、

2 发电机效率评估

为了更准确对发电机效率进行评估，我们需要对发电机运行特性进行测试，而现阶段已有的测试方法相对比较准确、有效。

如图3在转速变化时，通过改变负载保持额定电压不变，以转速为变量，我们就可以得到发电机的输入功率、输出功率以及发电机的效率。

c 3=0.4、c 4=5、c 5=21、c 6=0.0068。例如，

当β=0，λ=8.1时，C P (λ, β) 取最大值0.48[6]。 此方法，相对多项式拟合方法更为准确，而相对基于叶片气动计算的方法准确度不够，

但方法更为简单。

图3 发电机效率测量机组

测试机组提出了利用电动机代替风能，用变频器调节电动机的转速，更具实际风速值设定电动机转速，在测试过程中让风力发电机分别带不同负载，通过转矩、转速测量仪得到发电机输入功率，通过非工频测量仪得到发电机输出电压、电流以及计算输出功率，从而可以得到电机的效率，计算式为（4）（5）（6）[8]

。

η=

P 2

(4) P 1

P 1=

'

T CA ×n 9.55

(6)

式中，P 2为风力发电机的实际输出功率，

U 为风力发电机的输出电压，I 为风力发电机

的输出电流，P 1为风轮对发电机的输入功率，

T CA 为风力发电机轴上的扭矩，n 为风力发电

'

机风轮转速。

文[7]提出在240～600r /min 转速下，保持电压28.0V 不变，通过对300W 永磁风力发

'

电机测试，得到的该发电机的输入功率P 1、

P 2=U I (5)

输出功率P 2、效率值η，如表 1所示。

转速n (r /min) 输入功率P (w ) 输出功率P (w ) 发电机效率η 转速n (r /min) 输入功率P (w ) 输出功率P (w ) 发电机效率η

' '

表 1 发电机的输入、输出功率及效率值

240 260 290 320 15.9 11.8 0.7438 440 472.7 352.8 0.7463

21.9 17.3 0.7950 470 543.6 403.2 0.7417

98.8 83.7 0.8474 500 582.3 434.0 0.7453

181.1 146.1 0.8069 540 650.7 481.6 0.7401

360 306.4 231.6 0.7559 580 690.7 512.4 0.7419

400 390.6 302.4 0.7742 600 722.8 529.2 0.7322

由以上表可知，在保持端电压不变的情况下，发电机转速在240r /min 逐渐升至300r /min ，效率逐渐升高，并在300r /min 的时候达到最大值；而发电机转速在300r /min 逐渐升至600r /min ，效率逐渐降低，在降低的过程中，发电机效率略有波动，并在600r /min

降至最低。

由以上测试可知，发电机效率完整的测试方法，比较容易实现、测试的数据更为准确。

3 综合整个发电机组效率评估3 综合整个发电机组效率评估 综合整个发电机组效率评估

基于发电机效率测试，保持发电机的效率

η与转速n 关系。当风速保持不变时，由式（6）

风轮机转速可知风轮机的叶尖速比λ变化时，

由式（2）、（3）n 转速也会发生相应的变化时，

可知对应的风轮机的对应风能利用系数C P 就会不同。为了充分的利用已有的风能，我们可以选择合适的风轮机叶尖速比λ，使得整个机组的运行效率η' 提高。

λ=

ωR υ=

设风轮半径为R =1.6m ，叶片桨距角β=0, 在定风速υ=8m /s 的条件下，由式（2）、（3）、（6），我们能得到下列几个转速下对应的风轮机的叶尖速比λ以及对应的风轮机效率C P 。综合上述方法测量的发电机各转速下的效率值η，由式（7）我们可以的到整个机组在各转速下效率值η' ，如表2所示。

η' =η C P (7)

°

πnR 30υ

(6)

根据上述的风能利用系数的拟合方法，

发电机效率叶尖速比λ转速n (r /min)

240

260 290 400 440 470 500 540 580 600

风轮机效率C P

发电机组总效率η'

0.7438 5.026 0.266 0.7935 5.445 0.316 0.8474 6.073 0.383 0.7742 8.378 0.478 0.7463 9.215 0.453 0.7417 9.844 0.415 0.7453 10.472 0.364 0.7401 11.310 0.289 0.7419 12.147

0.176 0.7322 12.566 0.120

表 2 各转速下机组叶尖速比及效率值

0.197851 0.250746 0.324554 0.370068 0.338074 0.307806 0.271289 0.213889 0.130574 0.087864

根据以上方法，我们可以得到风速为υ=8m /s 、=10的条件下的效率值，

如下图所示。

°

又由于地区的平均风速不同，不同的叶尖速比λ对应发电机组整体效率值η' 就不同。所以，我们可以选择与某地风速范围所匹配的叶尖速比λ的风轮机，使整个风力发电机组保持合适的整体运行效率η' ，从而使发电功率尽可能的满足风力发电机的额定功率。

图 4 β=0风轮机效率、发电机效率、总的效率曲线。

当风轮机桨距角不变时，由图3中可知，机组整体效率并不一定与发电机效率、风能利用系数的峰值在同一转速，可以选择合适叶尖速比的风轮机，从而提高机组的整体运行效率。例如风速为υ=8m /s ，选择叶尖速比λ为8.387的风轮机,此时能保证机组整体运行效率η' 最高，为0.272。

改变叶片桨距角β=0，β=5，方法同

°°

上，我们可以得到各效率曲线图。

°

图5 β=0、β=5风轮机效率、发电机效率、总的效率曲线

当风轮机桨距角β变化时，由上图可知发风速不同，我们可以选择与地区平均风速所匹

配的叶尖速比λ和叶片桨距角β的风轮机，从电机效率在转速为290r /min 达到最大值

0.8474，且保持不变。由图可知，风能利用系而使整个风力发电机组保持合适的整体运行

效率η' ，并且使发电功率接近额定发电功率。 数C P max 峰值与电机效率峰值ηmax 存在不同

（3）当风轮机为变桨距时，为了充分的利用°

偏差，当叶片桨距角β=0时，横坐标差为

风能，我们可以通过调节叶片桨距角β，使得

+110r /min ，纵坐标差为-0.3794；当叶片桨距

风能利用系数C P max 峰值与电机效率峰值°

角β=5时，横坐标差为+150r /min ，纵坐标

ηmax 横坐标与纵坐标距离匹配，从而保证合适

差为-0.4894。

发电机组的整体运行效率。由于地区的风速不因此，我们可以通过调整叶片桨距角β，

同时，我们同样通过调节叶片桨距角β，使机改变风轮机风能利用系数C P max 峰值与电机

组的发电功率接近额定发电功率。

效率峰值ηmax 的横坐标与纵坐标偏差，使得两条曲线的峰值匹配，从而使整个风力发电机组保持较高的整体运行效率。当风速较低，发电功率低于额定功率时，可以提升发电机的运行效率；当过风速，发电功率高于额定功率时，可以降低发电机效率，保证机组正常运行。

最终可见，发电机效率的测试更为准确、容易获得，从而以发电机效率测试为基准，通过调整叶尖速比、桨距角来改变风能利用系数的分布，对系统总体的效率进行评估更为合理。

°

参考文献

4 结论及总结4 结论及总结 结论及总结

（1）由于风力发电机组主要包括风轮机与发电机，所以风轮机风能利用系数与发电机效率，对风力发电机组整体效率都存在很大的影响。提出通过以发电机效率测试为相对基准，结合风轮机模型对发电机组整体运行效率评估，方法比较容易、简单，分析较为准确。 （2）当风轮机为定桨距时，由于地区的平均

[1] 郭洪澈，小型风力发电机组系统优化设计，可再生能源 2002(5)

[2] 郑康、潘再平，变速恒频风力发电系统中的风力机模拟，机电工程，2003(6)

[3] 许燕灏，基于DSP的风力发电模拟系统的研究，华南理工大学硕士学位论文，2005

[4] 汤凌峰、梅柏杉，风力发电系统中的风力机模拟 电力电子技术 2008,42(9)

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[6] 徐科，变速永磁同步风力发电机交直流并网系统运行控制研究，东南大学博士论文，2007

[7] 丁成斌，小型永磁风力发电机性能测试技术的研究 东北大学硕士论文，2006(2)

[8] 李常春、刘志璋、王涛，离网型风力发电机电机部分效率的测试，农村牧区机械化.2006(2)

作者简介：

马宁（1987-），男，硕士研究生，研究方向电力系统及其自动化。Email ：[email protected]。 翟庆志（1960-），男，硕导，副教授，研究方向为电

机与电器 仝超（1986-），男，硕士研究生，研究方向为农业电气化

王国成（1987-），男，硕士，研究方向为电机与电器

风力发电机组整体运行效率的评估研究

作者：作者单位：

马宁， 翟庆志， 仝超， 王国成

中国农业大学信息与电气工程学院,北京海淀区 100083

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