基于发电厂的风力发电机系统优化设计
风力发电场的风资源评估与优化设计
风力发电场的风资源评估与优化设计随着对环境保护意识的增强和对可再生能源的需求不断增加，风力发电成为了一种重要的替代能源形式。
为了确保风力发电场的高效运行，需要对大型风力涡轮发电机的风资源进行评估和优化设计。
本文将就风资源评估的方法、风电场的优化设计等问题进行探讨。
首先，风资源的评估是风力发电场规划和设计的基础。
风资源评估的目标是确定一个特定地点和时间段内的风能潜力。
评估过程通常包括数据收集、数据分析和风能资源估计。
数据收集通常通过设立测风塔、利用测风雷达等手段进行，以获取各种高度的风速、风向、湍流强度等数据。
数据分析主要包括统计学分析、时间序列分析和空间插值等方法，以推断出长期的风能特征。
风能资源的估计可以根据所收集到的数据和分析结果采用各种统计学和工程模型进行。
其次，针对风电场的优化设计，考虑的因素包括风机布置优化、风机容量优化和电网连接优化等。
风机布置优化旨在确定风机的最佳布置方案，以最大程度地利用可用空间并减少风机之间的相互遮挡效应，从而提高风电场的发电效率。
风机容量优化涉及到确定每台风机的最佳额定容量，以实现整个风电场在可用风能潜力下的最大发电量。
电网连接优化则是考虑到风电场的接入能力，选择最佳的电网接入点和电网升级方案，以确保风电场的可靠供电。
另外，风力发电场在优化设计中还需要考虑环境影响的评估和管理。
由于风力发电机的运行会产生一定的环境影响，如噪音、电磁辐射等，需要对其进行评估和管理。
评估包括对风电场周边环境的调查和监测，以确定环境因子的基线数据和对环境的潜在影响。
管理则涉及制定和实施控制措施，以保护周边环境和相关利益相关者的权益。
另外，风力发电场设计中还需要考虑生物多样性保护、土地利用和景观保护等问题。
最后，技术创新对于风力发电场的风资源评估和优化设计也具有重要意义。
随着风力发电技术的不断进步，如更高的塔架和更大的风轮直径，以及智能化控制系统的应用，风资源评估和优化设计的准确性和效率也得到了提高。
风力发电场电力系统优化设计与性能分析
风力发电场电力系统优化设计与性能分析随着对可再生能源的需求不断增长，风力发电逐渐成为一种重要的清洁能源来源。
风力发电场的电力系统是实现风能转化为电能的关键部分，其优化设计和性能分析对于提高发电效率和经济性至关重要。
本文将从风力发电场电力系统的优化设计和性能分析两个方面展开讨论，并提出一些建议和方法。
一、风力发电场电力系统的优化设计1. 风机选择和布局风机是风力发电场的核心装置，其选择和布局对系统的性能有很大影响。
在选择风机时，需要考虑其额定功率、切入风速、切出风速等参数，并结合区域的风能资源特点进行综合评估。
在布局上，可以借助风能资源评估和数值模拟工具，在不同地形和风电场规模条件下进行最优布局设计。
2. 电网连接风力发电场需要将产生的电能接入电网，因此电网连接也是电力系统优化设计的重要环节。
考虑到风力发电的不稳定性和间歇性，合理的电网连接方案可以提高系统的可靠性和稳定性。
同时，应注重电网连接的经济性，尽可能降低成本。
3. 输电线路设计输电线路是将风力发电场产生的电能输送到用电地点的关键环节。
在输电线路设计中，需要考虑线路的传输损耗、电压降、线路容量等因素。
合理的输电线路设计可以减少能耗和成本，提高系统的可靠性和稳定性。
二、风力发电场电力系统的性能分析1. 性能指标和方法风力发电场的性能分析需要考虑多个指标，如发电量、发电效率、可利用率等。
同时，还需要采用合适的性能分析方法，如经济性分析、环境影响评价、可靠性分析等。
通过对这些指标和方法的综合分析，可以全面评估系统的性能优劣。
2. 系统运行监测与优化风力发电场的运行监测是评估系统性能的重要手段。
通过实时监测风机的运行状态、风速变化等参数，可以及时发现问题并采取措施进行优化。
在优化过程中，可以结合风能预测技术，提前调整风机运行策略，以提高发电效率。
3. 可再生能源混合系统分析在实际应用中，风力发电场往往与其他可再生能源系统相结合，如太阳能光伏发电、水力发电等。
风能发电系统的优化设计与分析
风能发电系统的优化设计与分析关键信息项1、风能发电系统的优化目标2、优化设计的技术方法和参数3、分析的指标和标准4、实施优化的时间节点5、成本预算6、质量控制标准7、风险评估与应对措施8、验收标准和流程1、引言11 风能作为一种清洁、可再生的能源，在全球能源结构中的地位日益重要。
为了提高风能发电系统的效率和稳定性，实现可持续发展，对其进行优化设计与分析具有重要意义。
2、优化目标21 提高风能转换效率，最大程度地将风能转化为电能。
22 增强系统的稳定性和可靠性，减少故障停机时间。
23 降低系统成本，包括初始投资和运营维护成本。
24 延长设备使用寿命，提高系统的整体经济性。
3、优化设计的技术方法和参数31 叶片设计优化311 采用先进的空气动力学理论和仿真工具，优化叶片的形状、长度和翼型，以提高风能捕获能力。
312 考虑材料特性和制造工艺，确保叶片的强度和质量。
32 发电机选型与优化321 选择合适类型的发电机，如永磁同步发电机或双馈异步发电机，并根据系统需求进行参数匹配。
322 优化发电机的控制策略，提高发电效率和电能质量。
33 传动系统优化331 合理设计齿轮箱的传动比和结构，减少能量损失和机械磨损。
332 选用高性能的轴承和连接件，提高传动系统的可靠性。
34 塔架设计优化341 确定塔架的高度和结构形式，以适应风场环境和机组载荷要求。
342 进行塔架的强度和稳定性分析，确保安全运行。
4、分析的指标和标准41 风能捕获效率分析411 计算风能利用系数（Cp），评估系统对风能的利用程度。
412 对比不同设计方案的 Cp 值，选择最优方案。
42 功率输出特性分析421 分析系统在不同风速条件下的功率输出曲线，确保满足电网接入要求。
422 评估系统的功率稳定性和调节能力。
43 可靠性分析431 计算系统的平均故障间隔时间（MTBF）和平均修复时间（MTTR）。
432 进行故障模式和影响分析（FMEA），识别关键故障点并采取预防措施。
风能发电系统的优化设计与运行策略
风能发电系统的优化设计与运行策略随着能源需求的增长和对环境的关注，可再生能源已成为全球能源领域的重点发展方向。
其中，风能作为一种广泛可利用的可再生能源，其发电系统的优化设计和运行策略的研究具有重要意义。
本文将讨论如何优化风能发电系统的设计，并提出一些有效的运行策略。
首先，优化设计风能发电系统应考虑风能资源的分布和条件。
地理位置和气候条件对风能资源具有重要影响。
因此，选择一个适宜的地点是关键。
在确定地点后，应进行详细的风能资源评估，包括测量当地的风速、风向和风能密度等参数。
这些数据可以用于确定风机的布局和选择适当的发电机容量。
其次，优化设计需要考虑风能发电系统的组成部分。
风力发电系统主要由风机、输电系统和电网组成。
在选择风机时，应考虑风机的类型（如水平轴风机或垂直轴风机）、叶片的材料和设计、发电机的类型和容量等因素。
此外，输电系统的设计应确保风电站能够有效地将电能输送到电网。
最后，风能发电系统应与电网相互连接，以确保稳定供电。
除了优化设计，合理的运行策略也对风能发电系统的效率和可靠性有着重要影响。
首先，风能发电系统应采用智能控制技术，以跟踪和适应风速的变化。
通过实时监测风速、风向和其他参数，自动调整风机的角度和转速，可以最大程度地提高能量利用率。
其次，定期的维护和检修是确保风能发电系统持续运行的关键。
定期检查风机的性能，并修复任何故障或损坏，可以提高系统的可靠性和寿命。
此外，可以利用预测模型和数据分析技术来优化风能发电系统的运行计划。
根据天气预报和历史数据，可以预测未来的风能资源，并相应地安排风机的运行计划，以最大化风能的捕获和发电。
同时，考虑到风能发电系统的环境影响也是优化设计和运行策略必须重要考虑的因素。
风能发电系统的建设可能对动植物的迁徙、栖息地和声音环境等产生一定影响。
因此，在选择风电站的地点时，必须进行环境影响评估，并采取相应的保护措施。
此外，在运行过程中，应注意减少噪音和防止鸟类等动物与风机发生碰撞。
电力工程中的风力发电系统设计与优化
电力工程中的风力发电系统设计与优化随着环境保护意识的增强和可再生能源的需求不断增长，风力发电逐渐成为一种受到广泛关注的清洁能源。
而在电力工程中，风力发电系统的设计与优化是一个关键的环节。
本文将就电力工程中的风力发电系统设计与优化进行探讨。
一、风能资源评估风力发电系统的设计首先要进行风能资源评估。
只有充分了解并利用局部的风能资源，才能保证系统的高效稳定运行。
风能资源评估包括风速、风向、风力密度等的采集与分析。
风速是风力发电系统设计的重要参数之一。
通过监测不同高度的风速，可以确定适合建设风力发电机组的高度范围。
同时，风向的测量可以帮助确定风机布局，以提高风能的捕捞率。
风力密度是评估风能资源优劣的指标。
风力密度高，表示单位面积或单位体积内的风能丰富程度高，有利于风力发电系统的设计。
风力密度的测量可以通过设置风速测量仪器和风向测量仪器进行采集。
同时，考虑因素如海拔、地理条件等也是评估风力密度的重要因素。
二、风机选择与布局在风力发电系统设计中，风机的选择和布局是至关重要的。
不同类型的风机适用于不同的环境和风能资源，通过合理选择并合理布局风机可以最大限度地提高发电效率。
传统的风机主要有水平轴风机（HAWT）和垂直轴风机（VAWT）两种类型。
水平轴风机是当前最常见的风力发电机组，其设计原理简单，具有较高的效率和可靠性。
垂直轴风机则具有更好的适应性和抗风能力，适用于复杂地形和风向变化较大的地区。
风机的布局直接影响着发电系统的整体性能。
在布局时，要根据实际情况合理安排风机之间的间距，避免相互引起的阻尼和干扰。
同时，可以考虑集中式布局和分散式布局两种方案进行比较，综合考虑系统的经济性和可靠性，选择最优方案。
三、系统调度和运行优化风力发电系统的设计并不仅仅局限于机组风机和风能资源的匹配，还包括系统的调度和运行优化。
通过合理的系统调度和运行优化，可以最大限度地提高输出功率和效益。
系统调度主要包括功率控制和可靠性评估。
功率控制是保证系统输出功率稳定的重要手段。
风力发电机组控制系统设计与性能优化
风力发电机组控制系统设计与性能优化一、引言风力发电作为一种可再生能源，正逐渐成为全球能源结构调整中的重要组成部分。
风力发电机组控制系统作为风力发电系统中的核心部分，起到了控制和优化发电机组运行的重要作用。
本文将从风力发电机组控制系统的设计和性能优化两个方面进行探讨。
二、风力发电机组控制系统设计1. 系统结构设计在风力发电机组控制系统的设计中，需要首先确定系统的结构。
一般来说，风力发电机组控制系统由传感器、执行器、控制器和监控系统等多个组成部分构成。
在确定系统结构时需要考虑系统的稳定性、可靠性以及适应性。
2. 传感器选择与配置风力发电机组控制系统中的传感器起到了采集各种运行参数的作用，对系统的控制和优化至关重要。
传感器的选择和配置需要根据风力发电机组的实际情况进行考虑，包括风速传感器、转速传感器、温度传感器等。
在传感器的选择与配置中，需要考虑到其稳定性、精度以及可靠性等因素。
3. 控制算法设计风力发电机组控制系统的核心是控制算法的设计。
控制算法的设计需要考虑到风力发电机组的输出功率以及转速等关键参数。
常用的控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法和遗传算法等。
在控制算法设计中，需要考虑到系统的稳定性和响应速度等因素。
三、风力发电机组控制系统性能优化1. 功率曲线优化风力发电机组的输出功率与风速之间存在着复杂的非线性关系。
通过对风力发电机组的功率曲线进行优化，可以获得更高的发电效率。
在功率曲线优化中，可以通过调整控制算法参数、叶片角度以及系统的响应速度等因素来实现。
2. 风速跟踪与预测风速的变化对风力发电机组的发电效率有着重要影响。
通过对风速的跟踪与预测，可以实现对风力发电机组的控制和优化。
在风速跟踪与预测中，可以使用神经网络、模糊控制等方法进行建模和预测。
3. 故障诊断与容错控制风力发电机组在运行过程中可能会出现各种故障，如变桨系统故障、传感器故障等。
通过故障诊断与容错控制，可以有效提高系统的可靠性和稳定性。
风电场发电系统的优化设计
风电场发电系统的优化设计随着环保意识的逐渐普及和节能减排的推广，风电发电系统逐步进入人们的视野，并得到了广泛的关注和发展。
在这一过程中，对风电场发电系统的优化设计显得尤为重要。
在本文中，我们将探讨如何通过优化设计提高风电场的发电效率、降低运营成本，进一步推动可再生能源的发展和利用。
一、风力发电原理首先，我们需要了解风力发电的基本原理。
简单来说，风力发电就是利用风能驱动风机旋转产生转动力，通过发电机将动力转化为电能。
风机的叶片通过受风动力旋转，驱动风机的转子旋转，而转子则将旋转的动能转化为电能，并输入电网。
二、风电场优化设计的要素风电场发电系统的优化设计需要考虑多个要素，包括风机机型、机台布置、工程设计、控制系统等等。
下面，我们逐一进行讨论。
1. 风机机型选择选定适合的风机机型是风电场优化设计的重要环节。
首先需要考虑的是风电场所在区域的风能资源状况，以选用适合的风机机型。
其次需要考虑的是风机的功率、转速和叶片材料等因素，这些因素关系到风机的发电效率和寿命，必须仔细地考虑。
2. 机台布置机台布置也是风电场发电系统优化设计的关键之一。
机台布置应该考虑风电场的地形、风能资源、机组部署等多个因素，以最大化发电效率。
此外，还需要考虑风机之间的距离，以便改善机组之间的相互作用，并减少叶片噪音。
3. 工程设计风电场发电系统的工程设计需要考虑许多方面，如机组安装、叶片长度、变频调速等。
此外，还需要特别注意发电系统的电气连通性和可靠性，以便保证正常运行和安全性。
4. 控制系统风电场控制系统需要实时监测机组状态、风电场状态、气象信息等参数，以便进行实时调节和优化。
此外，还需要考虑对机组的抗风性能和降低叶片噪音等因素的控制。
三、优化设计的实现要实现风电场发电系统的优化设计，需要采用现代技术和方法。
下面列举几种常用的优化设计方法：1. 数值模拟数值模拟是一种使用计算机来模拟风场、机组运动和发电过程的方法。
利用数值模拟，可以预测风电场的发电量、运行效率和性能等指标。
电力工程中的风力发电系统设计与优化
电力工程中的风力发电系统设计与优化随着环境保护意识的不断提高，可再生能源的应用日益普及。
风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式，受到了广泛关注和认可。
在电力工程中，风力发电系统的设计与优化是一个重要的挑战，需要综合考虑多种因素，如风机的位于位置选择、风能资源评估、系统布局、风机的数量和尺寸、发电机的性能等。
本文将从以下几个方面探讨电力工程中风力发电系统的设计与优化。
一、风能资源评估风力发电的效率与风能资源的可利用程度密切相关。
因此，在设计风力发电系统之前，必须对风能资源进行准确的评估。
风能资源评估涉及测风场的选择、测量区域的设置和观测方法等方面。
常用的方法包括数值模拟、浮标观测和解析模型等。
数值模拟方法通过模拟大气流场，计算得出不同高度上的风速分布，可以提供全方位、连续性的风能数据。
浮标观测则直接在海洋或湖泊上观测风速数据，具有直接、准确的优点。
解析模型则通过建立数学模型，利用已知的气象数据进行推导和计算。
综合利用这些方法，可以得到全面的风能资源评估结果。
二、风机布局和数量确定风机的布局和数量对风力发电系统的性能影响巨大。
布局方式包括单行式、交错式和网状式等。
在实际应用中，一般采用单行式或网状式布局。
单行式布局适用于场地狭小的情况，可以最大限度地利用场地空间。
网状式布局则适用于场地宽阔的情况，可以减小风机之间的相互影响，提高发电效率。
风机的数量选择主要考虑场地的风资源、地形条件和环境要求。
一般而言，风机数量越多，系统的发电能力越高，但也可能增加风机之间的相互影响和系统运行的复杂性。
因此，在确定风机数量时需要进行全面的优化分析。
三、风机尺寸和功率选择风机的尺寸和功率直接关系到系统的发电能力和经济性。
通常情况下，风机的尺寸越大，转子叶片所受到的风力面积越大，因此发电能力也越高。
风力发电机组一般采用多台风机并联组成，通过提高系统的容量来进一步提高发电能力。
风水力特性是选择风机尺寸和功率的关键因素。
一般而言，发电机的容量越高，风能的利用率越高，但成本也会相应增加。
风能发电系统的优化设计
风能发电系统的优化设计一、引言风能发电是一种清洁、环保的可再生能源，近年来被广泛应用。
为了提高风能发电的效率和经济性，需要进行优化设计。
本文主要介绍风能发电系统的优化设计。
二、风能发电系统的组成风能发电系统主要由风轮、传动系统、发电机、电控系统和电网组成。
其中，风轮是风能发电系统的核心部件，其叶片的设计直接影响到风能的利用效率。
三、风轮叶片的设计在风轮叶片设计过程中，需要考虑多个因素，如风轮转速、叶片形状、叶片材料等。
其中，风轮转速的选择是叶片设计的重要因素，过高或过低都会降低风能利用效率。
一般来说，风轮转速应在最大功率点附近。
叶片形状也是影响风能利用效率的重要因素。
目前在实际应用中，常用的叶片形状有平面形、回转翼形和三维形等。
除了形状外，还需要考虑叶片的倾角、挠度等因素。
在选择叶片材料时，需要考虑其机械性能、疲劳性能、耐腐蚀性能等因素。
一般来说，常用的叶片材料有玻璃钢、碳纤维等。
四、传动系统的设计传动系统主要由减速器和轴组成。
在设计减速器时，需要考虑其传动效率、耐用性等因素。
一般来说，采用与发电机同轴的减速器可以降低系统的成本和占地面积。
轴的设计也需要考虑多个因素，如轴的材料、直径、强度等。
在实际应用中，一般采用钢材或复合材料制成的轴。
五、发电机的设计发电机是整个风能发电系统的能量转换部件，其设计直接影响到系统的发电效率。
在选择发电机时，需要考虑其额定功率、转速、效率等因素。
一般来说，风能发电系统采用的是异步发电机或同步发电机。
其中，异步发电机成本低、结构简单，但效率较低，而同步发电机效率高、输出稳定，但成本较高。
六、电控系统的设计电控系统主要由控制器和储能电池组成。
控制器主要负责控制转速、保护系统安全等功能，储能电池则用于储存电能，以便在风速不足或停电时维持系统供电。
在设计电控系统时，需要考虑电池的容量、充放电效率、寿命等因素。
同时，控制器的设计应考虑其可靠性、精度等因素。
七、电网连接方式的优化电网连接方式是影响风能发电系统经济性的重要因素。
风力发电系统设计与优化
风力发电系统设计与优化随着环保意识的提高，新能源已逐渐成为各国政府鼓励和重视的发展方向。
其中风能作为最具潜力的新能源之一，受到了越来越多人的关注和追捧。
而风力发电系统的设计和优化，则是实现风能开发利用的首要条件。
一、风力发电系统的组成及其工作原理风力发电系统由风机、风轮及风轮轴、变速器、发电机、控制系统等组成。
流体力学基础是随风况搜索及锁定目标的系统结构和布置的前提。
风机的功率和性能取决于风轮及风轮轴的设计，如何达到减小风轮体积和重量、提升制造技术、加强风轮的可靠性等，这是提高风机性能及利用风能的关键点。
风轮与风轮轴的叶片尺寸、数量和变化规律是主要的流体动力学和结构设计内容。
风机可将风能转化为机械能，传递给发电机，再由发电机将其转化为电能供给市场。
二、风力发电系统的设计与优化1. 风机的设计与优化风机的设计与优化是发电系统的基础。
目前风机的设计和优化主要是从以下角度出发：(1) 叶片: 叶片是风机的核心，它的设计和制造质量是风机的重要评价指标。
(2) 风机的传动装置: 传动装置是传递风能的中介，由于风轮的转速过高，直接将其传递到发电机上是不可取的，必须设计相应的传动装置来实现转速的缓冲和调节。
(3) 风机的控制系统: 风力发电系统需要精准的控制系统来进行稳定的产电。
控制系统应该能够监测风速、风向和负荷状况，并根据这些数据自动调节风机的转速和产电电压。
2. 风力发电系统的优化风力发电系统的优化是一个多学科领域的课题，涉及流体力学、机械工程、电力电子等多个学科。
优化的目标是尽量提高风能的利用效率，减少系统成本和运行维护费用。
(1) 叶片设计优化：叶片的形状、旋转速度、叶尖速度、转动惯量等要素都对风机的发电性能有一定的影响。
在设计初期需要通过计算机辅助设计系统，来分析叶片结构的受力与疲劳，寻找最优的叶片结构和材料。
(2) 控制系统优化：风电场要保证电网接口电压和频率的稳定与电网安全的连接。
通过智能控制技术，实现风电场的最佳调度和维护，能够减少风机的运行成本，并提高风电场的远程管理水平。
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2009年6月农业机械学报第40卷第6期基于发电厂的风力发电机系统优化设计吴佳梁 李成锋(三一电气有限责任公司,北京102206) 【摘要】 提出一种基于发电厂的风力发电机设计理念,以风电场年发电量和发电质量作为优化目标,采用伸缩式叶片结构,在低风速下伸展叶片以提高风机输出功率,在高风速下收缩叶片,结合变桨实现输出功率调节;将额定风速、伸展时最大叶片长度、收缩时最小叶片长度和叶片中心半径作为优化变量,建立风机系统优化模型,运用遗传算法获取风机最优设计参数。
结合风机设计实例,验证了风机系统优化设计的可行性。
关键词:风力发电机组 伸缩式叶片 优化 遗传算法中图分类号:TM614文献标识码:AOptimal Design of Wind Energy Conversion System B ased on Pow er F actoryWu Jialiang Li Chengfeng(S any Elect ric Com pany ,Beijing 102206,China )AbstractA design method of wind energy conversion system based on the concept of power factor is proposed.The optimal power energy and electricity quality are considered as optimization objects.The blades are extended to improve power out 2put at low wind speed and shrunk with regulating mechanism at high wind speed to adjust power out 2put.Taking the rated wind speed ,the maximal length of an extended blade ,the minimal length of a shrunk blade and the central radius of a blade as optimization variables ,an optimization model of the wind turbine is proposed to obtain optimal design parameters using genetic algorithm.Finally ,the availability of optimal design of wind energy conversion system is validated by a case of wind turbine.K ey w ords Wind energy conversion system ,Telescopic blades ,Optimization ,G enetic algorithm收稿日期:2009202217 修回日期:2009203212作者简介:吴佳梁,教授级高级工程师,主要从事风力发电机组系统建模与优化设计的研究,E 2mail :wu jl @ 引言目前,风力发电机组单机容量在不断增大,全球平均装机单机容量从1990年的200kW 增加到2005年的2MW [1～2]。
兆瓦级风机的额定风速通常设定在12～13m/s ,而占国内风场绝大多数的三类风电场全年风速在额定风速以上的时间比率仅占7%～10%,即风机全年超过90%的时间工作在欠功率发电状态,即使优质风场的风机全年折合满功率发电亦不足2000h ,风电场平均发电负荷不到设计装机容量的1/4,造成风机发电能力的极大浪费;另一方面,由于风速风向的不稳定性,风机输出功率波动性很大,每个风电场即一个独立的发电厂,其输出电量随时间大幅波动,对主干电网产生冲击,电网电力设施和用电器受到极大威胁,因而风电无法大规模并网[3～5]。
本文提出一种基于发电厂的风机设计理念,以风电场最大年发电量和最优发电质量为优化目标,采用伸缩式叶片结构和扰流增升式翼型设计,降低风机额定风速和额定功率设定值,运用遗传算法优化风机主要设计参数,探讨在保证风机年发电量基本不变的前提下大幅提高风电输出品质的可行性,并对比分析优化设计方案和现有设计方案的各项性能指标。
1 风机系统优化建模在风力发电机系统中,风轮可视作风机的发动机,增大叶片长度即可增加风轮扫风面积,提高风机输出功率。
采用伸缩式叶片结构,在额定风速以下时伸展叶片以提高风能捕捉能力,降低风轮启动力矩;当风速超过额定风速时收缩叶片,亦可结合变桨,调节风机输出功率。
由于风是缓慢渐变的,叶片不会发生频繁伸缩的现象。
伸缩式叶片结构示意图如图1所示。
图1 伸缩式叶片结构示意图Fig.1 Structure map of telescopic blades图中,r out 为风轮叶片外圆半径(r out -max 和r out -min 分别为风轮叶片伸展时最大外圆半径和收缩时最小外圆半径),r in 为风轮叶片内圆半径(r in -max 和r in -min 分别为风轮叶片伸展时最大内圆半径和收缩时最小内圆半径),r m 为风轮叶片伸缩中心半径。
111 风轮基本参数采用伸缩式叶片结构,则叶片长度可调,风轮输出功率亦可随之变化。
由几何对称,有r m =(r out -max +r in -min )/2(1)根据风能利用率公式,可得r out -max =r m +P 02ρπr m v 30C pr in -min =r m -P 02ρπr m v 30C p(2)式中 ρ———空气密度 C p ———风能利用系数P 0———风机额定功率 v 0———额定风速最大伸展时叶片长度为l max =r out -max -r in -min(3)112 风机系统优化模型将大型客机机翼的扰流增升设计方法移植到风机叶片结构中,以提高风能利用系数C p 值至0147～0150,通过降低额定风速和额定功率,提高满功率发电时间,降低输出功率波动,改善风电并网品质。
综合考虑风机年发电量和发电品质,则风机系统优化的目标函数为max U (r out -max ,r out -min ,r m ,v 0)=C W W +C Q Q(4)式中 C W ———年发电量权重因子C Q ———发电质量权重因子W ———年发电量评价函数Q ———发电质量评价函数年发电量评价函数表示为W =∫v 0v in 12ρπ(r 2out -r 2in )v 3C P φ(v )T d v W ′+∫v outv 012ρπ(r 2out -r 2in )v 30C P φ(v )T d v W ′(5)式中 v in ———切入风速 v out ———切出风速v ———瞬时风速 T ———全年发电时间φ(v )———风场风速频率分布函数W ′———全年发电量目标值发电质量评价函数表示为Q =∫v outv inφ(v )d v(6)上述优化模型的约束条件为r in -max >r in -min >0r out -max >r out -min >r in -maxr in -max -r in -min ≤13(r out -max -r in -min )r min <r out -max <r max(7)式中 r min ———叶片长度下限r max ———叶片长度上限2 优化算法由于发电量评价函数需要由式(5)结合风频曲线积分得到,故选用具有全局搜索特性和广泛适用性的遗传算法对伸缩叶片式风机系统参数优化问题进行求解。
优化变量是r out -max 、r out -min 、r m 、v 0,采用16字节二进制编码,优化流程如图2所示。
3 应用与分析311 应用条件以当前主流风机产品的主要参数值为参照,生成初始种群,种群数为10,进化代数n 取50,切入、切出风速分别为3m/s 和25m/s 。
年发电量受到风场风速频率的影响很大,现以辽宁彰武苇子沟风场测风报告中风能分布规律作为风速频率分布参考值,计算理论年发电量。
该风场轮毂中心高度70m 的风速统计规律如表1所示。
该风场年平均风速7114m/s ,风能资源良好。
59第6期 吴佳梁等:基于发电厂的风力发电机系统优化设计图2 遗传算法流程图Fig.2 Flow chart of genetic algorithm 表1 风能分布统计T ab.1 Distribution of wind energy风速/m・s-1风速频率/%各风速以上风速所占比率/%121310010 25109717 37119217 49138516 510107613 611186613 712105415 811104215 99133115 106172212 115111515风速/m・s-1风速频率/%各风速以上风速所占比率/% 123141014 13214710 14114416 15112312 16019210 17015111 18014016 19011012 20011011>20010010312 优化结果与分析按照图2所示的算法流程编写Matlab程序,输入初始条件并运行该程序,得到最优设计方案的主要参数,经圆整后为额定风速8m/s,叶片伸缩中心半径30m,叶片最大伸展半径50m,此时风机额定功率为800kW,将其不同风速下的理论发电功率与典型115MW风机的理论发电功率作对比,如表2所示。
最优方案和某典型115MW风机的理论年发电量及评价发电质量的特征量值列于表3中。
从表3可以看出,尽管最优方案的风机额定功率只有800kW,但因其采用伸缩式叶片结构,其叶片最大伸展半径达50m,比115MW风机的34m叶片还长出47%,可以保证风机在低风速下具有更大扫略面积和启动力矩,所以理论年发电量仅仅减少7%。
表2 最优方案和典型115MW风机各风速下理论发电功率T ab.2 Theoretic pow er out2put of optim al design anda typical115MW design according to windspeeds of design options风速/m・s-1理论发电功率/kW最优方案典型115MW方案1010001002010001003(切入)421180130499199241205195129861306337147213160753518837619088071115871509807111858160108071111170180118071111395160128071111510108138071111510108风速/m・s-1理论发电功率/kW最优方案典型115MW方案14807111151010815807111151010816807111151010817807111151010818807111151010819807111151010820807111151010821807111151010822807111151010823807111151010824807111151010825(切出)01000100表3 最优方案和典型115MW风机的性能对比T ab.3 Characteristics betw een optim al design and thetypical115MW design性能参数最优方案典型115MW方案理论年发电量/万kW・h403435满功率发电时间比例/%42151014年折合满功率发电时间/h50382900 另一方面,由于最优方案大大降低了风机的额定风速,达到8m/s,使其全年有4215%的时间满功率发电,折合满功率发电时间高达5038h,远远高于典型115MW风机1014%的满功率发电时间比率和2900h的折合满功率发电时间,由此大大降低了风电输出的功率波动,减少对主干电网的冲击,很大程度改善了风电输出品质。