风机的叶尖速比
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。
风力机的特性系致
• 图3—40表示负载扭矩和功率与风速和风力机转速之间的关系
• 可以看出，在负载功率I的情况下，无论哪 种风速均能得到最高的功率输出。 • 如果采用负载特性Ⅱ的变化规律，则负 线的相对值随风速的增加而变小。当风这 为7．5m/s时，其负载下降较多，仅能索取 风力机最大功率的79％． • 在负载特性Ⅲ的情况下，这种倾向更为 强烈，风速为7．5m/s时，索取的输出功率 不超过最大功率的24％。
输出功率与风能的关系
• 一、装置的总效率 • 为了求得风能装置的总体尺寸，除了考虑 风力机本身的转换效率以外，还得考虑风 力机的其他损失，如传动机构损失、发电 机损失、泵损失等。 • 以风力发电装置为例，右取风力机效率为 70％，传功效率和发电机效率为80％，因 理想风力机的风能利用系数为59．3％，所 以装置的风能利用系数为
• 设某地一个月的风况曲线如图3—37所示。 如果把一个月720小时每隔20小时分为一格， 则利用每格对应的风速关系和图3—36，可 以方便的计算出发电机的输出功率，如表 3—4所示．
• 由上表可知，从发电机A得到的电能为228kW· h/月，从B 得到的是82kw· h/月。 • 从低额定风速的风机获得较大的能量，势必要加大叶轮直 径，这往往导致每千瓦成本随额定风速的降低而增加．所 以应找出风速持续曲线与额定风速两者的最佳匹配点。 • 如果确定了风机安装场所，则风速持续曲线可以确定， 从而可求出各种风速下全年所能发出的电力，根据成本核 算等综合考虑，即可求出发电机的容量与额定风速的最佳 值。 • 对于在牧区使用的微型风机，还需要注意全年的总用电时 间与额定风速下的吹刮时间是否基本吻合，以使蓄电池的 配套容量降至最小．
风力机的特性系数
一、风能利用系数Cp 风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系用Cp表示
叶尖速比在风力机气动设计中的作用及能准确控制最佳叶尖速比的设计方法
叶尖速比在风力机气动设计中的作用及能准确控制最佳叶尖速
比的设计方法
阮志坤
【期刊名称】《风力发电》
【年(卷),期】1989(000)002
【总页数】8页(P6-13)
【作者】阮志坤
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TK83
【相关文献】
1.垂直轴风力机叶尖速比分析研究 [J], 陈忠维
2.相同叶尖速比不同转速的垂直轴风力机气动性能分析 [J], 黄鹏;王宏光
3.基于最佳叶尖速比的最大风能跟踪在永磁直驱风力发电系统中的实现 [J], 王波;宋金梅;方蒽;刘玮
4.最佳叶尖速比的最大功率自抗扰跟踪控制 [J], 李娟;张克兆;李生权;刘超
5.浅析水平轴风力机叶片设计叶尖速比的选择 [J], 钟贤和;赵萍;曾明伍;李杰
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(完整word版)最佳叶尖速比控制(word文档良心出品)
独立运行风电机组的最佳叶尖速比控制文 摘：介绍了采用抓极无刷自励发电机的5KW 风电机组的性能特点，采用最佳叶速比控制和稳压控制相结合的控制方法，使风力机在额定风速以下及蓄电池没有充满时按最佳效率运行。
当蓄电池接近充满时，控制风电系统稳压运行，保证蓄电池安全可靠充电。
该风电机组及其控制已实际应用。
1、风机特性大风时通过离心力控制限速弹簧调节叶片角度限制风轮转速风力机的参数：额定功率、启动风速、额定风速、风轮直径、风轮额定转速、齿轮箱增速比、蓄电池标称电压。
风机发电的电气特点：1.1若发电机为异步发电机，其结构简单，控制方便，但需加电容器励磁。
发电机输出的三相交流电压为线电压380V ，要给120V 标称电压的蓄电池组供电，需加变压器降压后，再经整流器整流成直流输出，供蓄电池充电。
整个发电系统环节多，降低了总的运行效率。
1.2原机组采用异步发电机基本恒速运行，在大多数风速情况下不是运行在最佳效率状态。
1.3原风电机组当蓄电池电压达到设定的最高充电电压值时，切断发电机的输出，这一方面使叶片和风轮在切断瞬间承受很大的冲击，容易损坏机组；另一方面在断开发电机输出时蓄电池不一定充满，充电电源已经断开，这样就使蓄电池经常处于充不满状态，缩短其使用寿命。
二、改进后风力发电机2.1风力机最佳运行原理一台风轮半径为R 的风力机，在风速V 下运行时，它所产生的机械功率Pm 为式中p 为空气密度，3V 2A ρ为单位时间穿过风轮扫掠面积的风的能量；Cp 称为风力机的功率系数，实质上也就是风力机将风能转换为机械能的效率。
对于已经设计定型的风力机，Cp 是风轮叶尖线速度与风速之比λ的函数。
λ通常称为叶尖速比。
Cp 与λ的关系曲线是风力机的基本性能之一，且只有λ为某一特定值λm 时，Cp 达到其最大值Cpmax ，所以λm 称为最佳叶尖速比。
为了使风力机产生最大的机械功率，应使Cp 达到其最大值Cpmax 不变，为此，当风速变化时就必须使风力机的转速随风速正比变化，并保持一个恒定的最佳叶尖速比，即：在此条件下，风力机输出最大机械效率，并与风速的三次方成正比，即也即与转速的三次方成正比。
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。
浅析水平轴风力机叶片设计叶尖速比的选择
浅析水平轴风力机叶片设计叶尖速比的选择
钟贤和;赵萍;曾明伍;李杰
【期刊名称】《东方汽轮机》
【年(卷),期】2010()1
【摘要】设计叶尖速比是风力机叶片设计中需要考虑的重要因素,文中分析了叶尖速比对叶片的弦长、载荷、气动性能、整机的功率和发电量等的影响,讨论了设计叶尖速比的选择。
并分析得出增大设计叶尖速比,能够减小叶片弦长、载荷、成本,提高气动性能,但会使机组发电量有所下降的结论。
【总页数】4页(P31-34)
【关键词】风力机叶片;叶尖速比;气动性能;功率曲线
【作者】钟贤和;赵萍;曾明伍;李杰
【作者单位】东方汽轮机有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TK83
【相关文献】
1.垂直轴风力机叶尖速比分析研究 [J], 陈忠维
2.相同叶尖速比不同转速的垂直轴风力机气动性能分析 [J], 黄鹏;王宏光
3.用叶尖叶片控制水平轴风力机转速的研究 [J], 清水幸丸;蔡千华
4.叶尖速比在风力机气动设计中的作用及能准确控制最佳叶尖速比的设计方法 [J],
阮志坤
5.不同倾斜角叶尖小翼水平轴风力机气动性能 [J], 蔡新;林世发;胡莉;郭兴文因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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。
风力机的特性系致
风能的转换和贮能系统
• （一）装置分类及其特点
利用风能转换成机械能，用于扬水和谷物加工等 从风能利用的角度看，这类装置的总效率多半是低的
• (二)将风能转换成电能是最一般的利用方法
因受电池容量的限制，—部分风能将不能贮存起来．
风力发电机的扭炬—转速特性一般也是远离前述的2次方 曲线的，加上发电机的损耗，其总效率一般也很低。
• 图3—36是两种1000w风力发电机的功率曲 线。发电机A的启动风速是3.5m/s，额定风 速是8m/s。发电机B的启动风速是4.5m/s， 额定风速是12m／s。出此可知，风车A的 直径应比B大．
• 设某地一个月的风况曲线如图3—37所示。 如果把一个月720小时每隔20小时分为一格， 则利用每格对应的风速关系和图3—36，可 以方便的计算出发电机的输出功率，如表 3—4所示．
• 以S型风力机为例，设其半径R=1m，高H ＝3m，Cp＝0.15，λ＝0.76，则在保证最 高转换效率条件下，可列出表3—5
• 前面曾介绍过，与最大转换效率对应的叶 尖速比λ由风力机型式而定，所以风速变化 时，风速与转速之比不变．
• 所以，为使风力机在各种风速下都处于最 大效率运转，应将负载扭矩按转速的平方 比例关系增减．
• 长期的实践证明，运行效率曲线宽而平缓的风机, 其输出功率较高。
• 二、风力机的Cp曲线与给定风场的风能分 布曲线的适应问题
• 下图3—39表示A，B两种风力机，A的匹配 不良，B则匹配良好。用户在选择机型时应 注意这一点，以免风力机长期处于低效率 下运行。
• 三、风力机的能量转换特性
• 风力机把风能转变成机械能，随着风力机 型式的不同，有着不同的转换效率和特 性．现讨论风力机型式给定后，在其最高 转换效率条件下的扭矩—转速特性和功 率—转速特性．
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风机的叶尖速比
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：
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。