論轉(zhuǎn)速-功率特性曲線對(duì)于風(fēng)機(jī)效率的影響

崔　倩 呂大朋

（大唐向陽(yáng)風(fēng)電有限公司）

?

論轉(zhuǎn)速-功率特性曲線對(duì)于風(fēng)機(jī)效率的影響

崔倩 呂大朋

（大唐向陽(yáng)風(fēng)電有限公司）

摘要：轉(zhuǎn)速-功率特性曲線是通過(guò)發(fā)電機(jī)編碼器反饋回來(lái)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速值，采用擬合差值的方法，查找轉(zhuǎn)速-功率特性曲線，計(jì)算得出風(fēng)機(jī)功率輸出給定參考值?；陲L(fēng)機(jī)的功率曲線，風(fēng)速同功率一一對(duì)應(yīng)；基于轉(zhuǎn)速-功率特性曲線，功率同轉(zhuǎn)速一一對(duì)應(yīng)。由此將風(fēng)速同轉(zhuǎn)速也一一對(duì)應(yīng)。于是可以計(jì)算出風(fēng)機(jī)的葉尖速比，也就可以判斷風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)和效率。通過(guò)上述方法的反向推論，對(duì)于某一確定的最優(yōu)葉尖速比，可以得出固定風(fēng)速下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，參考功率曲線，從而得出轉(zhuǎn)速同功率之間的最優(yōu)參考特性曲線。得出MY1.5風(fēng)電機(jī)機(jī)組提高風(fēng)能利用系數(shù)和效率的理論基礎(chǔ)和方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能利用系數(shù)；風(fēng)機(jī)效率；葉尖速比；功率曲線；轉(zhuǎn)速-功率特性曲線

1 風(fēng)機(jī)功率輸出公式

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，MY1.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由葉輪系統(tǒng)、傳動(dòng)鏈系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)組成。其中葉輪系統(tǒng)由葉片、輪轂及變槳系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能傳遞給傳動(dòng)鏈系統(tǒng)；傳動(dòng)鏈系統(tǒng)由主軸、齒輪箱及彈性聯(lián)軸器組成，負(fù)責(zé)將葉輪傳遞過(guò)來(lái)的低速大機(jī)械轉(zhuǎn)矩動(dòng)能轉(zhuǎn)化為發(fā)電系統(tǒng)所需的高速低機(jī)械轉(zhuǎn)矩的動(dòng)能；發(fā)電系統(tǒng)由雙饋異步發(fā)電機(jī)、雙饋?zhàn)冾l器和升壓變壓器組成，負(fù)責(zé)將傳動(dòng)鏈傳遞過(guò)來(lái)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并反送給電網(wǎng)，至此完成風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)化過(guò)程。自然界中任何能量形式的轉(zhuǎn)化都不會(huì)是100％的，總會(huì)有能量的損失，也就是存在轉(zhuǎn)化效率的問(wèn)題。上述的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，從能量的形式劃分來(lái)看，一共經(jīng)歷了三個(gè)階段，其一是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為低速大機(jī)械轉(zhuǎn)矩的動(dòng)能，其二是低速大機(jī)械轉(zhuǎn)矩動(dòng)能轉(zhuǎn)化為高速低機(jī)械轉(zhuǎn)矩動(dòng)能，其三是高速低機(jī)械轉(zhuǎn)矩動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。這三個(gè)階段都存在著能量的轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題。下面逐一進(jìn)行分析。

風(fēng)能轉(zhuǎn)化為低速大機(jī)械轉(zhuǎn)矩動(dòng)能從空氣動(dòng)力學(xué)的理論來(lái)說(shuō)，葉輪對(duì)于風(fēng)能的利用效能系數(shù)，存在一個(gè)稱之為貝茨極限的值，定義為Cpmax=0.593，也就是說(shuō)不論是什么樣的風(fēng)機(jī)，其風(fēng)能利用系數(shù)最大只能達(dá)到0.593。受制于葉片設(shè)計(jì)、制造工藝等原因，一般風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)大概在0.2～0.5之間。同樣基于空氣動(dòng)力學(xué)的理論，風(fēng)的能量同風(fēng)速的三次方和空氣密度成正比，對(duì)于特定型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，其獲得的風(fēng)能同其掃風(fēng)面積成正比。風(fēng)機(jī)獲取的風(fēng)能同風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)以及風(fēng)機(jī)的掃風(fēng)面積成正比。同等風(fēng)速和風(fēng)能利用系數(shù)條件下，大葉片的風(fēng)機(jī)將獲取更大的能量。

MY1.5風(fēng)電機(jī)組使用的是高速雙饋異步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速范圍1000～2000r/min， 額定轉(zhuǎn)速為1750rpm，而葉輪傳遞給主軸的轉(zhuǎn)速一般在10～20r/min之間，其能量形式為低速大機(jī)械轉(zhuǎn)矩動(dòng)能，為了滿足發(fā)電機(jī)對(duì)于高轉(zhuǎn)速的要求，必須通過(guò)增速齒輪箱進(jìn)行增速。

MY1.5風(fēng)電機(jī)組使用的是傳動(dòng)比為1:100.74的增速齒輪箱，可以將低速軸的轉(zhuǎn)速增加到1000～2000r/min之間，正好滿足雙饋異步發(fā)電機(jī)對(duì)于轉(zhuǎn)速的技術(shù)要求。同時(shí)將低速大機(jī)械轉(zhuǎn)矩動(dòng)能轉(zhuǎn)化為高速低機(jī)械轉(zhuǎn)矩的動(dòng)能。在此轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能量的損耗主要體現(xiàn)在齒輪箱內(nèi)部齒輪和各轉(zhuǎn)動(dòng)軸承之間的磨損上。一般齒輪箱在設(shè)計(jì)的時(shí)候都會(huì)考慮到齒輪箱的效率問(wèn)題，MY1.5所采用的齒輪箱的效率大于等于0.97。除此之外，前后主軸軸承之間的磨損也會(huì)帶來(lái)一定的能量損耗，但是所占的比例微乎其微，完全可以忽略不計(jì)。

齒輪箱高速軸輸出端通過(guò)彈性聯(lián)軸器同發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端彈性連接，將高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的動(dòng)能傳遞給雙饋發(fā)電系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化為電能輸送到電網(wǎng)。一般風(fēng)機(jī)出口的電能計(jì)量都在發(fā)電機(jī)同升壓電壓器之間，所以在此過(guò)程中，不考慮升壓變壓器的損耗，只考慮發(fā)電機(jī)的損耗和雙饋?zhàn)冾l器的損耗。

2 風(fēng)機(jī)效率影響因素

通過(guò)上述對(duì)于風(fēng)機(jī)功率輸出過(guò)程的細(xì)致分析，可以發(fā)現(xiàn)一共有4個(gè)因素對(duì)于風(fēng)機(jī)的效率影響甚大，分別是風(fēng)能利用系數(shù)、齒輪箱效率η1、發(fā)電機(jī)效率η2和雙饋?zhàn)冾l器效率η3。

對(duì)于一款設(shè)計(jì)定型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，齒輪箱效率η1、發(fā)電機(jī)效率η2和雙饋?zhàn)冾l器效率η3可以看做是定值，MY1.5風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)規(guī)范對(duì)于這三個(gè)參數(shù)的規(guī)定見表1。

表1　MY1.5風(fēng)電機(jī)組相關(guān)部件效率部件

令，則η＞91.83％。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，一般情況下η的變化率很小，可以看成為定值。

在齒輪箱、發(fā)電機(jī)和雙饋?zhàn)冾l器的效率基本不變的情況下，對(duì)于風(fēng)機(jī)總體效率影響最大的就是風(fēng)能利用系數(shù)。根據(jù)貝茨極限定義的最大值為0.593，而一般的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其值大概在0.2～0.5之間變化，由此導(dǎo)致的功率輸出最大相差1.5倍，可見風(fēng)能利用系數(shù)對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的效率影響很大。

3 風(fēng)能利用系數(shù) Cp

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論，對(duì)于某一種葉型的葉片，其風(fēng)能利用系數(shù)是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)。葉尖速比顧名思義就是葉尖的線速度和風(fēng)速之間的比值。它是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，通常在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總體設(shè)計(jì)階段就提出了。對(duì)于某一型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，存在一個(gè)使風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)和風(fēng)輪效率達(dá)到最佳和最大值的最優(yōu)葉尖速比λopt。

MY1.5風(fēng)電機(jī)組為變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用三個(gè)葉片獨(dú)立變槳技術(shù)。其運(yùn)行風(fēng)速范圍為3～25m/s，77m葉輪直徑的風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速規(guī)定為11m/s，82m葉輪直徑的風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速規(guī)定為10.5m/s。一般來(lái)說(shuō)，在額定風(fēng)速以下及切入風(fēng)速以上的區(qū)間內(nèi)，三個(gè)槳葉都會(huì)到0度位置，最大限度獲取風(fēng)能，而在額定風(fēng)速以上切出風(fēng)速以下的區(qū)間內(nèi)，變槳系統(tǒng)開始工作，調(diào)節(jié)槳距角，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)，保持風(fēng)機(jī)輸出的功率恒定為1.5MW。

因此，功率特性曲線或者是風(fēng)機(jī)效率的考核，都是在額定風(fēng)速以下切入風(fēng)速以上的區(qū)間進(jìn)行的。額定風(fēng)速以上切出風(fēng)速以下的區(qū)間，不管風(fēng)速有多大，功率一直保持恒定。功率特性曲線也是特指額定風(fēng)速以下的風(fēng)機(jī)功率輸出特性，風(fēng)機(jī)效率的考核也只有在額定風(fēng)速以下進(jìn)行才有意義。

上面已經(jīng)說(shuō)明，風(fēng)機(jī)的效率只在額定風(fēng)速以下切入風(fēng)速以上的區(qū)間有意義，而在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，為了最大限度獲取風(fēng)能，風(fēng)機(jī)的三個(gè)槳葉將一直為0度位置，也就是說(shuō)槳距角為一個(gè)恒定的值。那么風(fēng)能利用系數(shù)Cp將只是葉尖速比λ的一元函數(shù)。

MY1.5/77和MY1.5/82兩種風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的最佳葉尖速比為8.5，此時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp將到達(dá)最大值。在最佳葉尖速比λopt以下，隨著葉尖速比的增加，風(fēng)能利用系數(shù)Cp逐步增加。而在最佳葉尖速比λopt以上，隨著葉尖速比的增加，風(fēng)能利用系數(shù)卻Cp逐步減小，可見，可以通過(guò)控制葉尖速比λ向λopt靠攏來(lái)提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)，以達(dá)到提高風(fēng)機(jī)效率的目的。

4 功率曲線

功率曲線是指風(fēng)機(jī)輸出的電功率同風(fēng)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。功率曲線是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，主要存在以下幾種原因：風(fēng)速風(fēng)向儀的測(cè)量存在誤差，導(dǎo)致風(fēng)速比實(shí)際風(fēng)速偏大；風(fēng)機(jī)未能準(zhǔn)確偏航對(duì)風(fēng)，使風(fēng)機(jī)獲取的風(fēng)能降低；計(jì)算的功率曲線沒(méi)有考慮到風(fēng)場(chǎng)的空氣密度修正，使結(jié)果產(chǎn)生向下的偏離；控制策略存在問(wèn)題，未能控制葉尖速比使風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大。

本文將主要針對(duì)最后一項(xiàng)進(jìn)行分析，假定在以上三項(xiàng)皆正常的條件下，通過(guò)對(duì)葉尖速比的控制策略進(jìn)行研究，找出轉(zhuǎn)速-功率特性曲線同風(fēng)機(jī)效率之間的關(guān)系。

5 轉(zhuǎn)速-功率特性曲線

轉(zhuǎn)速-功率特性曲線是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速同發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。轉(zhuǎn)速-功率特性曲線和功率曲線往往被誤解為同一概念，其實(shí)不然。MY1.5風(fēng)機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)所使用的雙饋?zhàn)冾l器為ABB生產(chǎn)的ACS800-67變頻器，采用ABB獨(dú)有的直接轉(zhuǎn)矩控制方式，上位控制系統(tǒng)要控制發(fā)電機(jī)的輸出功率，不是發(fā)出功率指令，而是發(fā)出轉(zhuǎn)矩指令。所以，上位控制系統(tǒng)內(nèi)部需要對(duì)功率和轉(zhuǎn)矩之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

標(biāo)準(zhǔn)情況下，MY1.5/77風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速為3m/s，額定風(fēng)速為11m/s。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速正常運(yùn)行范圍為1000～2050r/ min，額定轉(zhuǎn)速為1750r/min，其中1000r/min為最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速，2050r/min為最高運(yùn)行速度。

從理論上來(lái)說(shuō)，風(fēng)機(jī)按照上表列出的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行可以達(dá)到最佳葉尖速比，使風(fēng)能利用系數(shù)最大，但是顯然與現(xiàn)實(shí)情況不符。實(shí)際的情況是風(fēng)速為3m/s的時(shí)候，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，風(fēng)速為11m/s的時(shí)候，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1750r/min。這是兩個(gè)邊界限制條件，所有的計(jì)算都必須符合這兩個(gè)條件，見表2。

從表上可以看出，當(dāng)風(fēng)速處于5～8m/s的時(shí)候，計(jì)算出的最佳轉(zhuǎn)速可以處于上述兩個(gè)邊界條件之內(nèi)，這對(duì)于提高風(fēng)機(jī)的效率具有重要的意義。一般而言，一個(gè)風(fēng)場(chǎng)在規(guī)劃之初都會(huì)考慮多年平均風(fēng)速，并以此劃分風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)況等級(jí)。舉一個(gè)例子，典型的風(fēng)場(chǎng)年平均風(fēng)速為7m/s， 也就是說(shuō)，按照風(fēng)頻理論一年內(nèi)風(fēng)速7m/s的風(fēng)時(shí)間最長(zhǎng)，頻率最大，即風(fēng)機(jī)將在7m/s的時(shí)候運(yùn)行的時(shí)間最長(zhǎng)。參照表2，對(duì)應(yīng)7m/s的風(fēng)速，發(fā)電機(jī)最佳理論轉(zhuǎn)速為1487r/min，這個(gè)轉(zhuǎn)速處于1000～1750r/min之間，這是可以實(shí)現(xiàn)的。

表2　最佳葉尖速比下風(fēng)速—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)照表

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的分析，可以發(fā)現(xiàn)影響風(fēng)機(jī)效率的主要因素是風(fēng)能利用系數(shù)，而風(fēng)能利用系數(shù)在槳距角不變的情況下，只同葉尖速比相關(guān)。而葉尖速比事實(shí)上就是當(dāng)前風(fēng)速同發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。在同等條件下，要使風(fēng)電機(jī)組獲得更多的能量，必須提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)，也就是通過(guò)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以控制葉尖速比。

收稿日期：（2015-12-10）