崔　倩 呂大朋

（大唐向陽風電有限公司）

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論轉速-功率特性曲線對于風機效率的影響

崔倩 呂大朋

（大唐向陽風電有限公司）

摘要：轉速-功率特性曲線是通過發(fā)電機編碼器反饋回來的發(fā)電機轉速值，采用擬合差值的方法，查找轉速-功率特性曲線，計算得出風機功率輸出給定參考值?；陲L機的功率曲線，風速同功率一一對應；基于轉速-功率特性曲線，功率同轉速一一對應。由此將風速同轉速也一一對應。于是可以計算出風機的葉尖速比，也就可以判斷風機的風能利用系數(shù)和效率。通過上述方法的反向推論，對于某一確定的最優(yōu)葉尖速比，可以得出固定風速下的發(fā)電機轉速，參考功率曲線，從而得出轉速同功率之間的最優(yōu)參考特性曲線。得出MY1.5風電機機組提高風能利用系數(shù)和效率的理論基礎和方法。

關鍵詞：風能利用系數(shù)；風機效率；葉尖速比；功率曲線；轉速-功率特性曲線

1 風機功率輸出公式

風力發(fā)電機組是一種將風能轉化為電能的設備，MY1.5風力發(fā)電機組由葉輪系統(tǒng)、傳動鏈系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)組成。其中葉輪系統(tǒng)由葉片、輪轂及變槳系統(tǒng)組成，負責將風能轉化為動能傳遞給傳動鏈系統(tǒng)；傳動鏈系統(tǒng)由主軸、齒輪箱及彈性聯(lián)軸器組成，負責將葉輪傳遞過來的低速大機械轉矩動能轉化為發(fā)電系統(tǒng)所需的高速低機械轉矩的動能；發(fā)電系統(tǒng)由雙饋異步發(fā)電機、雙饋變頻器和升壓變壓器組成，負責將傳動鏈傳遞過來的動能轉化為電能，并反送給電網(wǎng)，至此完成風能到電能的轉化過程。自然界中任何能量形式的轉化都不會是100％的，總會有能量的損失，也就是存在轉化效率的問題。上述的風能轉化為電能的過程，從能量的形式劃分來看，一共經(jīng)歷了三個階段，其一是風能轉化為低速大機械轉矩的動能，其二是低速大機械轉矩動能轉化為高速低機械轉矩動能，其三是高速低機械轉矩動能轉化為電能。這三個階段都存在著能量的轉換效率問題。下面逐一進行分析。

風能轉化為低速大機械轉矩動能從空氣動力學的理論來說，葉輪對于風能的利用效能系數(shù)，存在一個稱之為貝茨極限的值，定義為Cpmax=0.593，也就是說不論是什么樣的風機，其風能利用系數(shù)最大只能達到0.593。受制于葉片設計、制造工藝等原因，一般風電機組的風能利用系數(shù)大概在0.2～0.5之間。同樣基于空氣動力學的理論，風的能量同風速的三次方和空氣密度成正比，對于特定型號的風力發(fā)電機組來說，其獲得的風能同其掃風面積成正比。風機獲取的風能同風機的風能利用系數(shù)以及風機的掃風面積成正比。同等風速和風能利用系數(shù)條件下，大葉片的風機將獲取更大的能量。

MY1.5風電機組使用的是高速雙饋異步發(fā)電機，轉速范圍1000～2000r/min， 額定轉速為1750rpm，而葉輪傳遞給主軸的轉速一般在10～20r/min之間，其能量形式為低速大機械轉矩動能，為了滿足發(fā)電機對于高轉速的要求，必須通過增速齒輪箱進行增速。

MY1.5風電機組使用的是傳動比為1:100.74的增速齒輪箱，可以將低速軸的轉速增加到1000～2000r/min之間，正好滿足雙饋異步發(fā)電機對于轉速的技術要求。同時將低速大機械轉矩動能轉化為高速低機械轉矩的動能。在此轉化過程中，能量的損耗主要體現(xiàn)在齒輪箱內(nèi)部齒輪和各轉動軸承之間的磨損上。一般齒輪箱在設計的時候都會考慮到齒輪箱的效率問題，MY1.5所采用的齒輪箱的效率大于等于0.97。除此之外，前后主軸軸承之間的磨損也會帶來一定的能量損耗，但是所占的比例微乎其微，完全可以忽略不計。

齒輪箱高速軸輸出端通過彈性聯(lián)軸器同發(fā)電機驅動端彈性連接，將高轉速低轉矩的動能傳遞給雙饋發(fā)電系統(tǒng)，轉化為電能輸送到電網(wǎng)。一般風機出口的電能計量都在發(fā)電機同升壓電壓器之間，所以在此過程中，不考慮升壓變壓器的損耗，只考慮發(fā)電機的損耗和雙饋變頻器的損耗。

2 風機效率影響因素

通過上述對于風機功率輸出過程的細致分析，可以發(fā)現(xiàn)一共有4個因素對于風機的效率影響甚大，分別是風能利用系數(shù)、齒輪箱效率η1、發(fā)電機效率η2和雙饋變頻器效率η3。

對于一款設計定型的風力發(fā)電機組來說，齒輪箱效率η1、發(fā)電機效率η2和雙饋變頻器效率η3可以看做是定值，MY1.5風電機組的技術規(guī)范對于這三個參數(shù)的規(guī)定見表1。

表1　MY1.5風電機組相關部件效率部件

令，則η＞91.83％。在風機運行過程中，一般情況下η的變化率很小，可以看成為定值。

在齒輪箱、發(fā)電機和雙饋變頻器的效率基本不變的情況下，對于風機總體效率影響最大的就是風能利用系數(shù)。根據(jù)貝茨極限定義的最大值為0.593，而一般的風力發(fā)電機組其值大概在0.2～0.5之間變化，由此導致的功率輸出最大相差1.5倍，可見風能利用系數(shù)對于風電機組的效率影響很大。

3 風能利用系數(shù) Cp

根據(jù)空氣動力學的相關理論，對于某一種葉型的葉片，其風能利用系數(shù)是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)。葉尖速比顧名思義就是葉尖的線速度和風速之間的比值。它是風力發(fā)電機組的一個重要設計參數(shù)，通常在風力發(fā)電機組的總體設計階段就提出了。對于某一型號的風力發(fā)電機組，存在一個使風機的空氣動力學參數(shù)和風輪效率達到最佳和最大值的最優(yōu)葉尖速比λopt。

MY1.5風電機組為變槳距風力發(fā)電機組，采用三個葉片獨立變槳技術。其運行風速范圍為3～25m/s，77m葉輪直徑的風機額定風速規(guī)定為11m/s，82m葉輪直徑的風機額定風速規(guī)定為10.5m/s。一般來說，在額定風速以下及切入風速以上的區(qū)間內(nèi)，三個槳葉都會到0度位置，最大限度獲取風能，而在額定風速以上切出風速以下的區(qū)間內(nèi)，變槳系統(tǒng)開始工作，調節(jié)槳距角，使發(fā)電機的轉速在允許范圍內(nèi)，保持風機輸出的功率恒定為1.5MW。

因此，功率特性曲線或者是風機效率的考核，都是在額定風速以下切入風速以上的區(qū)間進行的。額定風速以上切出風速以下的區(qū)間，不管風速有多大，功率一直保持恒定。功率特性曲線也是特指額定風速以下的風機功率輸出特性，風機效率的考核也只有在額定風速以下進行才有意義。

上面已經(jīng)說明，風機的效率只在額定風速以下切入風速以上的區(qū)間有意義，而在這個區(qū)間內(nèi)，為了最大限度獲取風能，風機的三個槳葉將一直為0度位置，也就是說槳距角為一個恒定的值。那么風能利用系數(shù)Cp將只是葉尖速比λ的一元函數(shù)。

MY1.5/77和MY1.5/82兩種風電機組設計的最佳葉尖速比為8.5，此時風機的風能利用系數(shù)Cp將到達最大值。在最佳葉尖速比λopt以下，隨著葉尖速比的增加，風能利用系數(shù)Cp逐步增加。而在最佳葉尖速比λopt以上，隨著葉尖速比的增加，風能利用系數(shù)卻Cp逐步減小，可見，可以通過控制葉尖速比λ向λopt靠攏來提高風機的風能利用系數(shù)，以達到提高風機效率的目的。

4 功率曲線

功率曲線是指風機輸出的電功率同風速之間的對應關系。功率曲線是一個比較復雜的問題，主要存在以下幾種原因：風速風向儀的測量存在誤差，導致風速比實際風速偏大；風機未能準確偏航對風，使風機獲取的風能降低；計算的功率曲線沒有考慮到風場的空氣密度修正，使結果產(chǎn)生向下的偏離；控制策略存在問題，未能控制葉尖速比使風能利用系數(shù)達到最大。

本文將主要針對最后一項進行分析，假定在以上三項皆正常的條件下，通過對葉尖速比的控制策略進行研究，找出轉速-功率特性曲線同風機效率之間的關系。

5 轉速-功率特性曲線

轉速-功率特性曲線是指發(fā)電機的轉速同發(fā)電機的轉速之間的對應關系。轉速-功率特性曲線和功率曲線往往被誤解為同一概念，其實不然。MY1.5風機的發(fā)電系統(tǒng)所使用的雙饋變頻器為ABB生產(chǎn)的ACS800-67變頻器，采用ABB獨有的直接轉矩控制方式，上位控制系統(tǒng)要控制發(fā)電機的輸出功率，不是發(fā)出功率指令，而是發(fā)出轉矩指令。所以，上位控制系統(tǒng)內(nèi)部需要對功率和轉矩之間進行轉換。

標準情況下，MY1.5/77風電機組切入風速為3m/s，額定風速為11m/s。發(fā)電機轉速正常運行范圍為1000～2050r/ min，額定轉速為1750r/min，其中1000r/min為最低運行轉速，2050r/min為最高運行速度。

從理論上來說，風機按照上表列出的發(fā)電機轉速運行可以達到最佳葉尖速比，使風能利用系數(shù)最大，但是顯然與現(xiàn)實情況不符。實際的情況是風速為3m/s的時候，發(fā)電機轉速為1000r/min，風速為11m/s的時候，發(fā)電機轉速為1750r/min。這是兩個邊界限制條件，所有的計算都必須符合這兩個條件，見表2。

從表上可以看出，當風速處于5～8m/s的時候，計算出的最佳轉速可以處于上述兩個邊界條件之內(nèi)，這對于提高風機的效率具有重要的意義。一般而言，一個風場在規(guī)劃之初都會考慮多年平均風速，并以此劃分風場的風況等級。舉一個例子，典型的風場年平均風速為7m/s， 也就是說，按照風頻理論一年內(nèi)風速7m/s的風時間最長，頻率最大，即風機將在7m/s的時候運行的時間最長。參照表2，對應7m/s的風速，發(fā)電機最佳理論轉速為1487r/min，這個轉速處于1000～1750r/min之間，這是可以實現(xiàn)的。

表2　最佳葉尖速比下風速—發(fā)電機轉速對照表

6 結束語

通過以上的分析，可以發(fā)現(xiàn)影響風機效率的主要因素是風能利用系數(shù)，而風能利用系數(shù)在槳距角不變的情況下，只同葉尖速比相關。而葉尖速比事實上就是當前風速同發(fā)電機轉速之間的關系。在同等條件下，要使風電機組獲得更多的能量，必須提高風機的風能利用系數(shù)，也就是通過控制發(fā)電機轉速以控制葉尖速比。

收稿日期：（2015-12-10）