风电控制系统

2.3 风力机基础理论
四、涡流理论（叶片数的影响及实际风力机Cp曲线）
有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使 风力机效率有所下降。
实际风力机曲线如下图所示：
Cp 失速损失
Betz极限 理想的Cp曲线
型阻损失
实际的Cp曲线
0
1 2
Cd Sv 2
阻力：与气流方向平行
v
压力 中心
M
B1
2
Cd—阻力系数
C M后S缘lv 2
相对前缘点由F产生的力矩
Cd、Cl是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算
的原始依据。
2.3 风力机基础理论
2.升力和阻力的变化曲线
0.8
Cl •升力系数与阻力系数是随攻角变化的
0.6
0.4
失速点
0.2
风力机的实际功率： PS
1 2
v13 SCP
且 CP 0.593
2) 叶尖速比 ：表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度
与风速比来衡量
2Rn R
vv
Cp
1° 2°
0.5
3°
4°
5°
0.4
6°
n —风轮的转速，单位: r/s 0.3
7° 8°
—风轮角频率，单位: rad/s
9° 10°
0.2
2.3 风力机基础理论
贝兹(Betz)理论
v v1 v2 2
S1v1
Sv
S2v2
最大理想功率为：
Pmax
8 27
Sv13
风力机的理论最大效率：
max
Pmax E
(8 / 27)Sv13
1 2
Sv13
16 27
0.593
2.3 风力机基础理论
3.风力机的主要特性系数
1) 风能利用系数 CP：风轮机从自然风能中吸到能量的大小和程度
弦长：两端点连 线方向上翼型的 最大长度
升力
i
角
升力角：来流方向与零升力线夹角
攻角
攻角：来流方向与弦长线的夹角
2.3 风力机基础理论
1. 翼型的几何参数和气流角
2) 叶片上的气动力
升力：与气流方向垂直
Cl—升力系数 Fl
前缘
1 2
Cl Sv 2
总的气动力，Cr—总气动系数
F
1 2
Cr Sv2
A
C
Fd
2.3 风力机基础理论
三、旋转叶片的气动力(叶素分析)
风向
i
安装角（节距角）：
倾斜 -u 角
I
v w
I
dD
气流阻力I
回转平面与桨叶截面 弦长的夹角
运动旋转方向
u R 2Rn
dL气流升力
相对 速度
dF气流w产生的气动力
dL dD
1 2 1 2
Cl w2dS Cd w2dS
轴旋驱向转动风旋风推力功输 转 轮力矩率入轴效dddF的得率TPa=w=η总到=rd=(d气的LPdLcuT动功s/oPisnI功率I+-d:d率PDDu:sc=PioTn=sIωvIΣ) Fa
Cd
i
i -30o -20o -10o 0o 10o 20o
-0.2 Cl min
M
30o
40o
•升力系数随攻角的增加而增 加，使得桨叶的升力增加，但 当增加到某个角度后升力开始 下降；阻力系数开始上升。
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•截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙 度等都会影响升力系数与阻力系数。
•对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造成阻力增加。
13°
R—风轮半径，单位: m
15°
0.1
额定风速
恒定功率
切出风速
切入风速
v —上游风速，单位: m/s
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18
2.3 风力机基础理论
二、叶片的几何参数与空气动力特性
1. 翼型的几何参数和气流角
零升力角：弦长线与零升力线夹角
1) 叶片的翼型
风向
v
零升 力角
0 l
弦长