尖速比对风力发电机发电效率的影响
尖速比对风力发电机发电效率的影响
尖速比对风力发电机发电效率的影响摘要：本文采用实验和数值分析相结合的方法，针对影响风力发电机输出性能的尖速比因素进行研究，通过尖速比的变化对风力发电机的输出功率、电流、电压以及风能利用系数的影响分析，找到了尖速比对风力发电机的输出功率、电流、电压以及风能利用系数影响程度，为设计或制造提供参考。
关键词：风力发电机；尖速比；发电效率；影响The influence of tip speed ratio on the wind turbine power generation efficiencyGaoFeng，Inner Mongolia Energy Investment Group New Energy Co.，Ltd，010020AbstractThis paper adopts the method of combining experimental and numerical analysis，conducts the research in view of tip speed ratio influence factors of the wind generator output performance，by changing the tip speed ratio of wind turbine output power，current，voltage and the influence coefficient of utilization of wind energy analysis，found the tip speed ratio of wind generator output power，current and voltage and the wind energy utilization coefficient influence，provides the reference for the design and manufacturing.Key words：wind power generator；tip speed ratio；power efficiency；influence引言风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。
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。
风力机叶尖速比
风力机叶尖速比风，那无形而又无处不在的力量，自古以来就是人类敬畏与渴望掌控的对象。
在现代能源科技中，风力机作为将风的动能转化为电能的关键设备，其叶尖速比（Tip Speed Ratio，简称TSR）的优化设计成为了提高风力机发电效率的研究焦点。
在风力机实验室里，李工程师正站在操作台前，目光紧盯着屏幕上不断跳动的数据。
他的助手小王在一旁翻看着厚厚的资料，不时地提问。
“李工，您看这份数据，叶尖速比在3.2时，风力机的输出功率达到了最大值，但风切变对TSR的影响我们该如何处理呢？”小王问道。
李工程师眉头微皱，沉吟片刻，回答道：“风切变确实是个难题，它会导致风速在叶片截面上的分布不均匀，进而影响TSR。
我们得从叶片的空气动力学特性入手，通过优化叶片形状和角度，减少风切变对TSR的影响。
”说着，李工程师拿起一支笔，在草稿纸上勾勒出叶片的轮廓，一边画一边解释：“你看，这样的设计可以使叶片在风切变区域保持较低的TSR，而在其他区域保持较高的TSR，从而平衡风切变的影响。
”就在这时，实验室的门被推开了，老张走了进来。
他是公司风机制造部的负责人，对风力机的性能有着深厚的理解。
“李工，我听说了您的研究进展，叶尖速比对风力机的性能确实至关重要。
不过，我觉得我们还可以从控制系统的角度来考虑，比如采用自适应控制系统，实时调整TSR，以适应不同的风况。
”老张提出了自己的观点。
李工程师点头赞同：“张经理说得对，自适应控制系统是个好办法。
我们可以结合气象数据和风力机的运行状态，设计出一种能够自动调整TSR的算法。
”小王在一旁听得入了神，不禁插话道：“那这样的系统对计算资源的要求会不会很高？”老张微笑着回答：“这也是我们需要考虑的问题。
我们可以通过优化算法，减少计算量，同时提高系统的响应速度。
”随着研究的深入，李工程师和小王的团队逐渐解决了风切变对叶尖速比的影响，并成功设计出了自适应控制系统。
在一次次的实验验证中，风力机的发电效率不断提高。
风力发电原理
4）最大限度地将风能转换为电能,即在额定风速以下 ,可能使发电机在每1种风速时,输出的电功率达到最大, 额定风速以上时则保持输出电功率为常量；
5）风力发电机输出的电功率保持恒压恒频,有较高的 电能品质质量.
风力发电机组控制目标有很多项,控制方法多种多样, 按控制对象划分大致可分为偏航系统、发电机并网 控制系统、发电机功率控制系统、电容器控制系统 等等,其中两个核心问题是：风能的最大捕获以提高 风能转换效率以及改善电能质量问题.由风力机最大 风能捕获的运行原理可知,若风速越高,则与之相对 应的风力机转速越高.但受风电机组转速极限、功率 极限等限制,风力机转速不可能太高.
分类： 1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布置,可
分为水平轴式或垂直轴式. 2）从塔架位置上,分为上风式和下风式；
3）还可以按桨叶数量,分为单叶片、双叶片、 三叶片、四叶片和多叶片式.
4）从桨叶和形式上分,有螺旋桨式、H型、S 型等；
5）按桨叶的工作原理分,则有升力型和阻力型 的区别.
6）以风力机的容量分,则有微型(1kW以下)、 小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型 (100kw以上)机.
其中, Cp为风能利用系数（Power Coefficient）,表示风
机捕获风能的能力, Cp = Pcapture / Pwind
偏导航系统的作用
偏航系统的主要作用有两个： 1) 与风力发电机组的控制系统相互配合,使风发电 机组的风轮始终处于迎风状态,充分利用风能,提高 风力发电机组的发电效率； 2) 提供必要的锁紧力矩,以保障风力发电机组的安 全运行.
（四）发电机
发电机的作用,是利用电磁感应现象把由风轮输出 的机械能转变为电能.
2、双馈式异步风力发电机组
风电风力机技术监督-问答题
风电风力机技术监督——问答题问题：哪一个力使风轮转动产生驱动力矩？升力使风轮转动产生驱动力矩。
问题：说出风力发电机组的4个重要参数。
轮毂高度、风轮直径或扫掠面积、额定功率、额定风速。
问题：某一风力发电机组，其风轮转速为30r/min，发电机转速为1500r/min，试求其中间齿轮箱的传动比为多少？此风力发电机组中间齿轮的传动比为50。
问题：风轮的实度是如何定义的？风轮实度是指叶片在风轮旋转平面上投影面积的综合和与风轮扫掠面积的比值，实度大小取决于叶尖速比。
问题：已知某风力发电风轮直径D为60m，试求该风轮的扫掠面积（计算结果保留到整数）？风轮扫掠面积为2826m2。
问题：某风电场测得年平均风速不大于4m/s的风速频率为20%，而不小于25m/s风速的频率为5%，求年平均风速在4～25m/s区间内的有效风时率是多少？该风场4～25m/s区间有效风时率为75%。
问题：某风力发电机组，其年有效风时数为7000h，风力发电机实际的工作系数为0.92，该机平均输出功率是额定功率750KW的30%，求该机型的年发电量？该机组年容量系数是0.27。
问题：某台风力发电机组，在6m/s风速时输出功率是60kW，当风速为12m/s时，问此时该风力发电机的输出功率是多少？此时该台风力发电机的输出功率是480kW。
问题：已知某风力发电机组的v6m/s1=风轮直径为40m，其风能利用系数K是0.45，求在风速为10m/s时，该风力发电机组的风轮输出功率是多少（空气密度取ρ=1.2kg/m2）？该风力发电机组的风轮输出功率P为P=753600×0.45=339.12（kW）该风力发电机组的风轮输出功率是339.12kW。
问题：某台风力发电机全年维修用时72h，故障停机228h，试求该机组的年可利用率（时数均按自然时数计）。
该台机组的年可利用率为96.60%。
问题：什么叫风力发电机组的保护系统？确保风力发电机组运行在设计范围内的系统。
风力发电功率和叶尖速比
二■凤轮机的功率及风陡利用系数（・）穿过风轮桨叶扫掠面的风能设：V——风速（指未扰动气流的流速），米/秒；D—风轮直径，米；A——风轮叶片扫掠面枳，米2 ；p—空气密度，千克/米'。
则单位时间内穿过风轮扫掠面积的动能，即功率PA（见图5 — 2）为:图5-2凤轮扫掠面1\ = jA- 千克•米2/秒' （5-1）（二）风能利用系数Cp风能利用系数Cp_ 单位时间内转变为风轮机械能的风惜一单位时问内穿过风轮桨叶扌j掠啲八的全部风能_ 风轮的输出功率一输入风轮面内的功率=—=——-——"一2）风能利用系数是衣征风轮机效率的重要参数•它表明风轮机从风中获得的有用能駅的比例•根据贝茨理论•风能利用系数的最大值为0.593。
关丁贝茨最大值的推导见本章第七节。
水平轴风轮机的C.-0. 2〜0. 5.垂直轴风轮机的C p = 0. 3〜0. 4。
风能利用系数又称功率系数。
(三)风轮的功率风轮的功率即指转变为机械能的功率P=Ca・少人・/ <5-3)由式(5 — 1)和(5 — 3)可以看出*1.当》=常数.pHiye即当凤速•定时.风轮的功率和风轮苴径的平方成正比)"2.当D=常数即当风轮苴径固定时.风轮的功率和风速的立方成正比)"3.当风轮直径、风速不变时，风轮的功率与G，成正比。
4.风轮功率和风轮叶片数无关•但与空气密度成正比。
三、凤轮机的叶尖速比(髙速性系数)在风速为Y时r风轮叶片尖端的线速度与该风速之比称为风轮的高速性系数「高速性系数可表示为：式中入——髙速性系数；3——凤轮在凤速V时的旋转角速度.0,-^1.弧度・秒"；0()——风轮叶片尖处的线速度•弧度・秒'•米；n——转速.转丿分。
所以匸誑TL礬“(5-4)v 30 v由此可知.高速性系数是反映在定风速下风轮转速高低的参数。
高速性系数又称叶尖速比TSR。
四、风轮机的转矩系数风轮的功塞也可以用风轮的转矩与其旋转角速度的乘积来衷示.即P=M • o>式中M——转矩•千克•米；3——旋转角速度.弧度•秒=已知风轮的功率p=寻pD2/・C P所以P —M •(u=-^-pI)2 v1• C5,1 对于某-风轮来说•只是在入为某一数值•即九时•才达到最大G值（（・：“）•如图5 — 3所示■在入工為时・Cp值下降a或则定义称为转矩系数侧M=C M - （fRAv1 2 3）.即当风轮尺寸（R）固定时，在一定风速下心是一个反映转矩大小的系数。
风能利用系数与叶尖速比和桨距角的函数
风能利用系数是评价风力发电机性能的重要指标之一。
在设计风力发电机的过程中，需要综合考虑多个因素，其中包括叶尖速比和桨距角。
这两个参数都对风能利用系数有着重要的影响，下面我们将分析它们与风能利用系数之间的函数关系。
一、叶尖速比的影响叶尖速比是风力发电机叶片末端的线速度与风速之比。
通常情况下，叶尖速比的取值范围在5-9之间。
而叶尖速比对风能利用系数的影响是非常显著的。
当叶尖速比过大时，风力发电机叶片的阻力将会增大，从而导致风能利用系数下降。
而叶尖速比过小时，叶片的转动效率也会下降，同样会导致风能利用系数的降低。
叶尖速比与风能利用系数的函数关系可以用一个类似抛物线的曲线来描述。
随着叶尖速比的增加，风能利用系数先增加后减小，存在一个最大值点。
二、桨距角的影响桨距角是指风力发电机叶片相对于风向的角度。
它对风能利用系数也有着重要的影响。
当桨距角过小时，叶片受风面积减小，受风面积受风能利用系数也会下降。
而当桨距角过大时，叶片的承受风压面积增大，同样会导致风能利用系数的减小。
桨距角与风能利用系数也呈现出类似抛物线的函数关系。
三、风能利用系数的函数关系根据叶尖速比和桨距角对风能利用系数的影响，可以得出风能利用系数与叶尖速比和桨距角之间具有函数关系。
在实际的工程设计中，通常需要对叶尖速比和桨距角进行综合考虑，通过数值模拟和实验验证，得出最佳的风能利用系数对应的叶尖速比和桨距角。
四、结语风能利用系数与叶尖速比和桨距角之间的函数关系是风力发电机设计中一个重要的研究课题。
通过合理地选择叶尖速比和桨距角，并综合考虑风动力特性、结构强度和材料成本等多个因素，可以提高风力发电机的发电效率和经济性。
希望未来能够进一步深入研究风能利用系数与叶尖速比和桨距角之间的函数关系，为风力发电行业的发展做出更大的贡献。
风力发电作为清洁能源发电的重要来源，其发电效率和经济性一直备受关注。
在风力发电机的设计和运行中，风能利用系数作为衡量风力发电机性能的重要指标之一，对于提高风力发电机的发电效率具有重要意义。
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尖速比对风力发电机发电效率的影响
摘要：本文采用实验和数值分析相结合的方法，针对影响风力发电机输出性能的尖速比因素进行研究，通过尖速比的变化对风力发电机的输出功率、电流、电压以及风能利用系数的影响分析，找到了尖速比对风力发电机的输出功率、电流、电压以及风能利用系数影响程度，为设计或制造提供参考。
关键词：风力发电机；尖速比；发电效率；影响
The influence of tip speed ratio on the wind turbine power generation efficiency
GaoFeng，Inner Mongolia Energy Investment Group New Energy Co.，Ltd，010020
Abstract
This paper adopts the method of combining experimental and numerical analysis，conducts the research in view of tip speed ratio influence factors of the wind generator output performance，by changing the tip speed ratio of wind turbine output power，current，voltage and the influence coefficient of utilization of wind energy analysis，found the tip speed ratio of wind generator output power，current and voltage and the wind energy utilization coefficient influence，provides the reference for the design and manufacturing.
Key words：wind power generator；tip speed ratio；power efficiency；influence
引言
风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。
风力发电机组的规模化发展是风能利用的主要形式。
风电场场址一般选在风力资源丰富的地区，主要是偏僻的山区以及东部沿海地区，场址地区环境条件十分恶劣，风速在大范围内随机发生变化，风电机组在一些地区还要时常受飓风的侵袭，会对风电机组产生很大的冲击。
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。
针对风轮与发电机的匹配性的研究也就是考虑小型风力发电机最优输出特性[1-3]。
本文采用400W永磁直驱小型风力发电机为实验对象，分析尖速比对风力发电机输出功率、电流、电压、风能利用系数的影响。
1.功率输出分析
同一个叶片在不同的风速下其功率变化规律如图1。
（a）一号电机4号叶片
（b）四号电机5号叶片
图1 风力发电机功率曲线图
Fig.1 Wind turbine power curve
由上图可知，随着风速的增大风轮的功率也随着增大，当尖速比增加时，功率先增加后减小，从图上可看出最佳尖速比在6到7之间。
下面来分析在不同风叶片上功率的变化曲线（图2），分析功率与尖速比的关系。
（a）7m/s不同风轮输出功率
（b）9m/s不同风轮输出功率
图2 不同风轮输出功率曲线图
Fig.2 Different wind turbine output power curve
由图1和2可以得出风轮输出功率P随尖速比的增大而增大，当达到最大值后输出功率随转速的增大而有下降的趋势，最佳尖速比是7。
2.电流分析
为了充分分析电流和风速的关系及电流和尖速比的关系，电流是否与叶片和电机有关系，因此由实验数据可得图3。
（a）一号电机4号叶片
（b）一号电机5号叶片
（c）四号电机4号叶片
（d）四号电机5号叶片
图3 风力发电机电流曲线图
Fig.3 Wind turbine current curve
从图3可以看出，风速不同时，风速大的其起始电流也大，风速小的则起始风速小。
由此可知，风力发电机输出电流与通过风轮的风速成正比关系。
由图（b）和（d）可知，当风速为10m/s时，一号电机五号叶片的电流最大为8.5A，而四号电机五号叶片电流最大为 4.6A。
则可知风力发电机的电流与电机有关，不同电机其输出功率不同。
当电机为一号电机时最大电流对应的尖速比为5.5，当电机为四号电机是最大电流对应的尖速比为4.5。
验证了最大电流输出对应的尖速比与叶片无关只与发电机的种类有关[4]。
3.电压分析
分析电压与风速的关系和电压与尖速比的关系，分析电压与叶片有关还是与电机有关，见图4。
（a）一号电机4号叶片
（b）一号电机5号叶片
（c）四号电机4号叶片
（d）四号电机5号叶片
图4 风力发电机电压曲线图
Fig.4 Wind generator voltage curves。