任务一　风力机特性仿真方法

一、风力发电基础理论

由空气动力学可知，风的动能与风速的平方成正比，风功率与风速的立方成正比。在风速为v时，风力机的输入功率P可以用下式表示：

式中，ρ为空气密度；A为风轮扫掠面积；v为风速；R_w为风轮半径。

如果通过叶轮扫掠面的风能全部被风机叶片吸收，那么经过叶轮后风速应该等于零。然而空气不可能完全静止不动，因此风力机的效率总小于1，由此可以定义风力机的风能利用系数C_p：

式（3-1-3）中，P_o为风机输出的轴功率。所以，风机输出的轴功率P_o可以用下式表示：

风能利用系数C_p（也称功率系数）是表征风力机效率的重要参数，C_p特性一般由风力机制造厂家通过实验给出，这里的C_p则采用依据统计学公式给出C_p：

式中，C_f为叶片设计常数，一般取1～3；桨距角β是来流速度方向与弦线间的夹角。

影响C_p的因素有风速、叶片转速、风轮半径、桨距角，因此风力机C_p特性比较复杂，但是风力机的最大风能利用系数C_pmax通过“贝茨极限理论”可知，C_pmax≈0.593。为了便于分析C_p特性，定义风力机的另一个重要参数叶尖速比λ，即风力机叶片尖端线速度与风速之比，如下式所示：

式中，ω_W为叶片旋转角速度，rad/s；n_w为叶片转速，r/min。

风力机特性通常用一簇风能利用系数C_p的曲线来表示，如图3-1-1和图3-1-2所示。

由图3-1-1可以看出，C_p（λ）曲线是桨距角β的函数，且当β角增大时，C_p（λ）曲线显著缩小。

了解风力机的工作特性，熟悉影响风力机输出功率高低的因素，为提高风力机发电效率做好理论分析的基础。

二、变频器安装

1.前盖板的拆卸与安装

前盖板的拆卸与安装见图3-1-3。

2.配线盖板的拆卸与安装

配线盖板的拆卸与安装见图3-1-4。

3.变频器的安装

变频器的安装见图3-1-5。

4.模拟风能控制单元接线

端子排端口定义和编号定义如图3-1-6所示。

三、实训步骤

1.风能利用系数与速比的曲线观测

①双击桌面“独立服务器”图标，进入监控系统后，点击“登录”，然后在顶窗口点击“风力机特性仿真”按钮，进入仿真界面。将实时风速设定为6m/s，其余参数用默认值，依次点击“自动绘制曲线”、“启动”，在C_p/λ图中可以看出C_p随λ的变化曲线。在P₁/n、P₀/n图中可观测风机的输入功率、输出功率、转矩随角速度的变化曲线。完成后点击“停止”。

②将实时风速给定为12m/s，重复步骤①，观测其C_p/λ、P₁/n、P₀/n曲线与6m/s的区别。

2.桨距角对风能利用系数的影响

①将桨距角设置为5°，重复步骤1.①，观测其C_p/λ、P₁/n、P₀/n曲线与0°时的区别。

②将桨距角设置为20°，重复步骤1.①，观测其C_p/λ、P₁/n、P₀/n曲线与0°、5°的区别。

3.手动点绘C_p/λ、P₁/n、P₀/n曲线

进入风电监控软件，点击风力机特性仿真，进入仿真界面，实时风速设定为6m/s，其余参数用默认值，依次点击“手动绘制曲线”、“启动”后，在风轮转速设定值栏输入风轮转速后点确认，点击“记录”，在C_p/λ、P₁/n、P₀/n图中可观测到与风轮转速对应的点，在风轮转速显示数值软键盘中输入不同风轮转速，重复点击“记录”，可手动绘出C_p/λ、P₁/n、P₀/n曲线，完成后点击“停止”。

【练习题】

（1）记录桨距角固定，不同风速时手动点绘的C_p/λ、P₁/n、P₀/n曲线。

（2）记录风速固定，不同桨距角时手动点绘的C_p/λ、P₁/n、P₀/n曲线。

（3）综合上述曲线，分析风力机的工作特性。