风力发电功率和叶尖速比

风力发电常用名词解释

风能/wind energy 空气流动所具有的能量。

风能资源/wind energy resources 大气沿地球表面流动而产生的动能资源。

空气的标准状态/standard atmospheric state 空气的标准状态是指空气压力为101 325Pa，温度为15℃（或绝对288.15K），空气密度1.225kg/m 3 时的空气状态。

风速/wind speed 空间特定点的风速为该点空气在单位时间内所流过的距离。

平均风速/average wind speed 给定时间内瞬时风速的平均值。

年平均风速/annual average wind speed 时间间隔为一整年的瞬时风速的平均值。

最大风速/maximum wind speed 10分钟平均风速的最大值。

极大风速/extreme wind speed 瞬时风速的最大值。

阵风/gust 超过平均风速的突然和短暂的风速变化。

年际变化/inter-annual variation 以30年为基数发生的变化。

风速年际变化是从第1年到第30年的年平均风速变化。

[风速或风功率密度]年变化/annual variation 以年为基数发生的变化。

风速（或风功率变化）年变化是从1月到12月的月平均风速（或风功率密度）变化。

[风速或风功率密度]日变化/diurnal variation 以日为基数发生的变化。

月或年的风速（或风功率密度）日变化是求出一个月或一年内，每日同一钟点风速（或风功率密度）的月平均值或年平均值，得到0点到23点的风速（或风功率密度）变化。

风切变/wind shear 风速在垂直于风向平面内的变化。

风切变指数/wind shear exponent 用于描述风速剖面线形状的幂定律指数。

风速廓线/wind speed profile, wind shear law 又称“风切变律”，风速随离地面高度变化的数学表达式。

湍流强度/turbulence intensity 标准风速偏差与平均风速的比率。

风机的叶尖速比

风机的叶尖速比周日, 2008-03-02 03:16 — xieyaqian叶尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。

它等于叶片顶端的速度（圆周速度）除以风接触叶片之前很远距离上的速度；叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的叶尖速比就越大。

.根据叶尖速比的不同，我们可以把风电机分成两类：慢速比风电机和快速比风电机：慢速比:慢速比风电机的速度比最大为2.5 。

所有以阻力原理作用的风电机的叶尖速比都小于1，属于慢速比风电机。

以浮力原理作用的风电机，如果其叶尖速比在1到2.5之间，也被称为慢速比风电机。

Westernmills 和某些风力泵的叶尖速比大概是1，而Bock风车以及荷兰风车的叶尖速比大概是2。

快速比:快速比风电机是指按照浮力原理作用的风电机，并且其叶尖速比在2.5到15之间。

几乎所有的现代风电机（叶片数一到三）都属于此类。

叶尖速比对风电机的建造结构和形状有很大的影响，比如：叶片转速：如果叶片长度一定，那么叶尖速比越大，叶片的转速也就越快。

只有一个叶片的风电机，其叶尖速比很高，旋转速度也要比三叶片的风电机快的多。

需要注意的是，风力泵的叶尖速比虽然属于慢速比机械，但旋转速度一般都很快。

原因是其转动直径很小，最终圆周速度相对低很多，所以属于慢速比机械。

叶片数：Westernmills的叶尖速比比较低（大约为1），所以需要更多的叶片来遮挡风，一般有20到30个叶片；荷兰风车的速度比大约为2，一般有4个叶片。

现代三叶片风电机的叶尖速比大约为6，而一个叶片的风电机，其叶尖速比大概为12。

叶片切面：快速比风机的叶片一般都设计的细长而薄，其原因就是叶片切割风的时候，与风的相对速度十分高。

（站长注：这段我看不懂，只是照原文翻译。

）风机的转化效率系数：快速比风机由于产生的涡流损失要比慢速比风机低很多，所以其作用系数要明显比慢速比的风机高。

一般慢速比风机的转化效率系数cP在0.3到0.35之间，而快速比的风机能够达到0.45到0.55。

_风力发电实验指导

风力发电实验风能是一种清洁的可再生能源，蕴量巨大。

全球的风能约为2.7×10 8万千瓦，其中可利用的风能为2×10 6万千瓦，比地球上可开发利用的水能总量要大10倍。

随着全球经济的发展，对能源的需求日益增加，对环境的保护更加重视，风力发电越来越受到世界各国的青睐。

大力发展风电等新能源是我国的重大战略决策，也是我国经济社会可持续发展的客观要求。

发展风电不但具有巨大的经济效益，而且与自然环境和谐共生，不对环境产生有害影响。

近几年，随着我国的风电设备制造技术取得突破，风力发电取得飞速发展。

据2011年4月《国家电网公司促进风电发展白皮书》。

截至2010年底，全国风电并网容量2956万千瓦，“十一五”期间年均增速接近100%。

2010年，全国风电机组平均利用小时数2097小时。

蒙东、蒙西、吉林、黑龙江风电发电量占全社会用电量的比例分别达到21.1%、8.7%、5.6%、4.6%，风电利用已达到较高水平。

预计到2015年，我国风电规模将超过9000万千瓦，2020年将达到1.5亿千瓦以上。

与其它能源相比，风力，风向随时都在变动中。

为适应这种变动，最大限度地利用风能，近年来在风叶翼型设计，风力发电机的选型研制，风力发电机组的控制方式，并网发电的安全性等方面，都进行了大量的研究，取得重大进展，为风力发电的飞速发展奠定了基础。

风电的飞速发展提供大量的就业与个人发展机会，普及风电知识，在高等院校培养相关专门人才已成当务之急。

实验内容实验1 风速，螺旋桨转速（也是发电机转速），发电机感应电动势之间关系测量实验2 测量扭曲型可变浆距3叶螺旋桨风轮叶尖速比λ与功率系数C P 关系实验3 切入风速到额定风速区间功率调节实验实验4 额定风速到切出风速区间功率调节实验－变浆距调节实验5 风帆型3叶螺旋桨风轮叶尖速比λ与功率系数C P 关系的测量实验6 平板型4叶螺旋桨风轮叶尖速比λ与功率系数C P 关系的测量实验原理1、风能与风速测量风是风力发电的源动力，风况资料是风力发电场设计的第一要素。

变桨距风电机组最佳叶尖速比的拟合求取

Ａｂｔａｔａｅｎｔｅｗｎｕｂｎｔｅｔａｄ１ｔｅｅｐｅｓｎｏｈｐ：Ｂｓｄｏｈｉｄｔｒｉｅｍａｈｍａｉｌｍｏｅ．ｈｘｒｓｉｆｔｅｏｔｃｏｍａｌｄｉｓｅｄｒｔｗｓｐｏ
Ｋｅｒｓ：ｗｎｕｂｎｓｐｉｌｂａｅｔｐｓｅｄｒｔｉｔｎｔｏｙｗｏｄｉｄｔｒｉｅ；ｏｔｍａｌｄｉｐｅａｉｏ；ｆｔｇｍｅｄｉｈ
２ｃｏｌＥｅｔｃｌｏｅＥｇｎｅｎ．ＳｈｏｌｒａＰｗｒｎｉｒｇ，Ｎｎｎｔｕｃｎｌｙａｊ１１７ｈｉｆｏｃｉｅｉａｊＩｉｔｏＴｈｏｇ，Ｎｎｎ２１６，Ｃｎｉｎｔｅｆｅｏｇｓｉｇａ；３ｅｔＤｓａｈａｄＣｍｎａｉ．Ｃｎｅｏｉｔｎｏｍｕｉｔｎ，ＪｎｓｌｔｃｏｅＣｍａｙａｇ２０２，Ｃｉ）ｒｆｐｃｃｏｉｇｕＥｃｉＰｗｒｏｐｎ，Ｎｎ１０４ｈｎａｅｒａ
第４０卷第２期２１０２年３月
河海大学学报（自然科学版）ＪｕａｏＨｈｉｎｖｒｔ（ａｒｌｃｎｅ）ｏｒｌｆｏａＵｉｓｙＮｔａＳｉｃｓｎｅｉｕｅ
Ｖｏ．０Ｎｏ．１４２Ｍａ．２２ｒＯ１
ｈｘｒｓｉｎｐｒｍｅｅｆｔｐｉｌｄｉｓｅｄｒｔｗｅｈｒｅｅｍｅｒｍｅｔｅｒｓｈｎｈｐｉｔｅｅｐｅｓｏａａｔｓｏｅｏｔｌｂａｅｔｐｅａｉｈｎｔｅｅｗｒａｕｅｎｒｒ．Ｔｅ，ｔｅｏｔｌｒｈｍａｐｏｓｏｍａｂａｅｔｐｅａｉｏｌｅｉｄｒｃｌａｃｌｔｄ．ｘｍｐｅｓｏａｅｆｔｄｄｔａｅｈｃｕａｙ．ｈｓｓｄｌｄｉｓｅｄｒｔｃｕｄｂｉｔｃｕａｅＡｎｅａｌｈｗｓｔｈｔａａｈｖｉｈａｃｒｃＴｉｔｙｐｏｎｅｙｌｈｔｔｉｅｇｕｐｏｉｅｅｕｖ — ｔｎｔｏｏａｃｌｔｇｔｅｏｔｌｌｄｉｐｅｔｆｉｄｔｒｉｅ．ｒｖｄｓａｎｗｃｒｅｆｔｇｍｅｄｆｒｃｕａｉｐｉａｅｔｓｄｒｉｏｎｕｂｎｓｉｉｈｌｎｈｍａｂｐｅａｏｗ

风能转换系统最佳叶尖速比控制算法设计论文解剖

摘要风力发电是一种清洁能源，通过对风能的利用有利于优化未来的能源利用模式。

本文介绍了风能转换系统最佳叶尖速比控制算法设计，主要目的是实现风力发电系统的最大功率点跟踪。

论文的开始介绍了国内外风力发电的概况，为本文奠定了写作背景。

接着文章阐述了风力发电系统的基本原理，着重介绍了风力机的结构与组成和贝茨理论，这是本文的基础。

紧接着，文章分析了最大功率点跟踪控制算法的基本原理，以及最佳叶尖速比控制的特点，为控制系统的设计做好了准备。

然后针对最佳叶尖速比控制定步长算法的特点，设计出了相应的控制算法和PI控制器，通过选取合适的PI参数，得到了较为理想的追踪效果，从而实现控制所要求的目标。

最后就是本文的重点，Matlab环境下的仿真。

首先我建立了风力发电系统的仿真模型，然后在Matlab环境下实现了最佳叶尖速比控制算法并对控制算法仿真结果进行了分析。

总之，通过分别对风力发电系统的设计和仿真，实现了对风能转换系统最佳叶尖速比控制算法设计。

关键词：风能转换系统；叶尖速比；最大功率点跟踪；PI控制器AbstractWind power is a kind of clean energy, through use of wind energy is beneficial to optimize the mode of energy use in the future. This paper introduces the wind energy conversion system optimal tip speed ratio control algorithm is designed, main purpose is to achieve maximum power point tracking of wind power system .The beginning of the paper introduces the general situation of wind power at home and abroad, laid the writing background for this article. Then the article expounds the basic principle of wind power generation system, emphatically introduces the structure and composition and Bates theory of wind turbine, which is the basis of this article. Then, this paper analyzes the basic principle of the maximum power point tracking control algorithm, and the characteristics of the optimal tip speed ratio control, ready for the design of control system. Then aiming at optimal tip speed ratio control characteristics of fixed step length algorithm, designed the corresponding control algorithm and PI controller, by choosing the right PI parameters, obtained the ideal track effect, so as to realize the goal of control required. The last is the focus of this article, the simulation of Matlab environment. First, I established the simulation model of wind power system, and then realized in Matlab environment the optimal tip speed ratio control algorithm and the control algorithm simulation results are analyzed.In a word, through the design and simulation of wind power generation system, implements the optimal tip speed ratio control algorithm design of wind energy conversion system.Key words:wind energy conversion system;tip-speed ratio;the maximum power point tracking; PI controller目录1 绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 研究的目的和意义 (1)1.3 世界风力发电发展概况 (1)1.3.1 世界风力发电装机容量迅速扩大 (1)1.3.2 风力发电机组的单机容量不断增大 (2)1.3.3 风力发电的经济性日益提高 (2)1.4 我国风力发电发展概况 (2)1.4.1 我国风电利用的特点 (2)1.4.2 我国风电的发展与现状 (3)2 风力发电系统的基本原理 (5)2.1 风力发电机的结构与组成 (5)2.1.1 风力发电机的分类 (5)2.1.2 水平轴风力发电机的结构 (5)2.2 风力发电的基本原理 (8)2.2.1 贝茨（Betz）理论 (8)2.2.2 风力发电机的特性系数 (10)2.3 本章小结 (11)3 最大功率点跟踪算法的基本原理 (12)3.1 最大功率点跟踪算法 (12)3.1.1 风力发电系统的运行区域 (12)3.1.2 最大风能捕获原理 (12)3.2 最佳叶尖速比控制的特点 (14)3.3 本章小结 (14)4 基于叶尖速比PI控制的风力发电系统仿真 (15)4.1 风力发电系统的仿真模型 (15)4.1.1 风速模型的建立 (15)4.1.2 风力发电系统的模型 (16)4.1.3 输出功率追踪控制模型的建立 (17)4.1.3 追踪仿真 (18)4.2 本章小结 (20)5 结束语 (21)参考文献 (22)致谢 (23)1 绪论1.1 引言能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。

风力机的基本参数与理论.

风力发电机风轮系统2.1.1 风力机空气动力学的基本概念1、风力机空气动力学的几何定义（1）翼型的几何参数翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。

下面是翼型的几何参数图1）前缘、后缘翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。

2）弦线、弦长连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c表示。

弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。

3）最大弯度、最大弯度位置中弧线在y坐标最大值称为最大弯度，用f表示，简称弯度；最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置，用x f表示。

4）最大厚度、最大厚度位置上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t表示；最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置，用x t表示。

5）前缘半径翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1表示。

6）后缘角翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用τ表示。

7）中弧线翼型内切圆圆心的连线。

对称翼型的中弧线与翼弦重合。

8）上翼面凸出的翼型表面。

9）下翼面平缓的翼型表面。

（2）风轮的几何参数1）风力发电机的扫风面积风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。

下图是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。

根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。

按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。

风力发电机原理

• (1)风轮直径：
• 风力发电机组最主要的参数是风轮直径（对于垂直轴风力发电机来说是风轮扫掠面积）和额定功率，成为产品型号的组成部分：风轮直径（或风轮扫掠面积）说明风力发电机组能够在多大的范围内获取风中蕴含的能量，是风力发电机能力的基本标志。。
（2）额定功率
• 额定功率是与风力发电机组配套的发电机铭牌功率，其定义式“正常工作条件下，风力发电机组在额定风速下设计要达到的最大连续输出功率”。风轮直径应当根据不同的风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本，配置较大直径风轮供低风速区选用，配置较小直径的风轮供高风速区选用.
（叶片数一到三）都属于此类。 • 叶尖速比对风电机的建造结构和形状有很大的影响，比如：
• 叶片转速：如果叶片长度一定，那么叶尖速比越大，叶片的转速也就越快。只有一个叶片的风电机，其叶尖速比很高，旋转速度也要比三叶片的风电机快的多。需要注意的是，风力泵的叶尖速比虽然属于慢速比机械，但旋转速度一般都很快。原因是其转动直径很小，最终圆周速度相对低很多，所以属于慢速比机械。
• 定桨距风轮因失速有个过程，超过额定风速后功率略有上升，然后又下降。如果风速继续增加，为了保护风力发电机组的安全，规定了允许风力发电机组正常运行的最大风速，称为切出风速（停机风速）。机组运行时遇到这样的大风必须停机与电网脱开，输出功率立刻降为0，功率曲线到此终止。
叶片锥角
攻角、浆距角和迎角
叶尖速比
• 叶尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。它等于叶片顶端的速度（圆周速度）除以风接触叶片之前很远距离上的速度；叶片越长，或者叶片转速越快，同风速下的叶尖速比就越大。
• 根据叶尖速比的不同，我们可以把风电机分成两类：慢速比风电机和快速比风电机：

风力发电系统的控制原理

风力发电系统的控制原理风力涡轮机特性：1，风能利用系数Cp风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示：P---风力涡轮实际获得的轴功率r---空气密度S---风轮的扫风面积V---上游风速根据贝兹〔Betz〕理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：。

2，叶尖速比l为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。

n---风轮的转速w---风轮叫角频率R---风轮半径V---上游风速在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。

从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。

如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。

涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。

图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。

在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。

每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段〔假设风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。

〕它是工作区段。

在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。

3，变速发电的控制变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确〔机组惯量大〕。

三段控制要求：低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。

联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ〔ｎ〕关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。

图３是风速变化时的调速过程示意图。

设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。