小型風力機系統(tǒng)氣動及發(fā)電性能試驗研究

昝丙合，何淼，朱建勇，李國文

(1. 惠陽航空螺旋槳有限責任公司，河北 保定 071000； 2. 沈陽航空航天大學航空發(fā)動機學院，遼寧 沈陽 110136)

風電被公認為技術(shù)最成熟、最具有開發(fā)前景的可再生能源，也是實現(xiàn)節(jié)能減排承諾的現(xiàn)實選擇[1-2].隨著分布式電網(wǎng)的發(fā)展，小型風力機因其結(jié)構(gòu)簡單、安裝靈活等優(yōu)點得到了廣泛關(guān)注.風輪和發(fā)電機是風力機的2個重要組成部分，盡管目前風輪的氣動優(yōu)化及發(fā)電機的效率達到了較高水平，然而現(xiàn)有的大量實踐表明小型風力機發(fā)電效率較低，其原因是風輪氣動特性與發(fā)電機的電磁特性存在匹配的問題[3-4].

目前，現(xiàn)有的研究大多針對獨立的風輪氣動特性[5-6]或者獨立的發(fā)電機性能[7-8]，對于風輪與發(fā)電機匹配問題的研究資料有限，主要集中在最大功率追蹤控制策略以及匹配特性試驗.趙仁德等[8]提出了基于最佳電磁轉(zhuǎn)矩給定的最大功率追蹤方案，并驗證了有效性.TRIPATHI等[9]綜述了最大功率追蹤控制方法，包括最佳特性曲線法、尖速比控制方法、最佳轉(zhuǎn)矩控制方法以及擾動觀察/爬山算法.HEYDARI等[10]基于35 kW風力發(fā)電系統(tǒng)比較了以上方法的優(yōu)缺點.朱瑛等[11]在考慮損耗轉(zhuǎn)矩情況下，通過計算損耗轉(zhuǎn)矩與電機角速度的關(guān)系，提出了一種給定發(fā)電機最佳電流的最大風能控制跟蹤方法.王世鋒[4]用調(diào)節(jié)負載的方式保證風力機始終在最佳尖速比運行.包道日娜等[12]根據(jù)風輪與電機的匹配特性，提出一種通過改變負載進行功率控制的方法.張所成等[13]通過對2臺風輪和2臺發(fā)電機進行交叉組合試驗，尋找了影響發(fā)電機系統(tǒng)性能及發(fā)電機與風輪系統(tǒng)匹配的相關(guān)規(guī)律.查詠[14]研究了風力機-活塞泵/離心泵的合理匹配，其研究方法值得借鑒.

綜上所述，鮮見有對小型風力機氣動及發(fā)電性能定量試驗的研究，其造成兩者差異的原因也有待揭示.文中借助風洞試驗手段分別對風輪和同一風輪驅(qū)動的發(fā)電機進行氣動和發(fā)電性能試驗，分析風輪的氣動特性和發(fā)電機的電磁特性，基于試驗數(shù)據(jù)揭示風力機氣動及發(fā)電性能差異的原因，為小型風力機風輪與發(fā)電機的匹配提供參考依據(jù).

1 試驗過程

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

為了使較小尺寸的風輪模型能夠驅(qū)動發(fā)電機，沒有選用常規(guī)型式的風力機，而是設(shè)計了一種新穎的水平軸螺旋式風輪，圖1分別為風輪的正視圖和側(cè)視圖，風輪有3個葉片繞水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成，葉片的內(nèi)側(cè)邊緣始終與轉(zhuǎn)軸連接，外側(cè)邊緣沿來流方向旋轉(zhuǎn)340°，從而使得風輪旋轉(zhuǎn)半徑增大至0.3 m，風輪長度達到0.460 m.該風輪氣動扭矩大，啟動性能好，另外還具有較高的氣動效率.

圖1 風輪氣動外形示意圖

圖2為試驗風輪及發(fā)電性能測試裝置.小型永磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，與容量、轉(zhuǎn)速相當?shù)碾妱畲虐l(fā)電機相比具有較高的效率，非常適合小型風力發(fā)電系統(tǒng)[15].由于風輪的氣動性能測試顯示風輪在8 m/s下最大氣動功率略高于50 W，因此，在試驗風速5～8 m/s范圍內(nèi)，所用永磁發(fā)電機的額定功率50 W，額定轉(zhuǎn)速300 r/min.

圖2 試驗風輪及發(fā)電性能測試裝置

1.2 試驗方法

試驗在沈航低速風洞閉口試驗段進行，試驗段尺寸：長×寬×高=3.0 m×1.2 m×1.0 m，方形截面，可控風速范圍為4～50 m/s，湍流度小于0.14%，風輪的阻塞率為23.56%.

發(fā)電性能試驗：測得不同風速下風輪驅(qū)動發(fā)電機的電磁功率.圖2發(fā)電性能試驗裝置中，風輪與永磁發(fā)電機直連，永磁發(fā)電機固定在彎刀機構(gòu).發(fā)電機、整流橋、功率表以及滑動變阻器組成閉合回路.通過整流橋?qū)⒂来虐l(fā)電機輸出的交流信號整流為直流信號，通過滑動變阻器改變發(fā)電機負載，進而改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，功率表采集發(fā)電機的電磁功率、電壓和電流等參數(shù).

氣動性能試驗：測得不同風速下風輪的氣動功率和氣動扭矩等.圖3為氣動性能測試裝置系統(tǒng)圖，自來流上游至下游分別為風輪、轉(zhuǎn)速扭矩儀和電磁制動器，其中轉(zhuǎn)速扭矩儀用來獲取風輪的轉(zhuǎn)速、氣動扭矩和氣動功率，電磁制動器通過控制器加載調(diào)節(jié)風輪的轉(zhuǎn)速.測試裝置的扭矩量程3 N·m，精度0.30%(F.S)，轉(zhuǎn)速量程6 000 r/min，精度±0.1%.

圖3 氣動性能測試裝置系統(tǒng)圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 風輪氣動性能分析

試驗風速5～8 m/s范圍內(nèi)，風輪的氣動功率P和氣動扭矩M隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖4，5所示.

圖4 氣動功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖5 氣動扭矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線

由圖4，5可以看出，在相同風速下，氣動功率P和氣動扭矩M均隨著轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小，兩者峰值及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速均隨風速的增大而增大.在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在氣動功率和扭矩達到峰值之前，磁粉制動器比較難控制風輪的轉(zhuǎn)速，使得風輪轉(zhuǎn)速增速劇烈，臨近峰值時，氣動功率隨轉(zhuǎn)速變化比較平緩，經(jīng)過峰值后，氣動功率和扭矩均隨轉(zhuǎn)速急劇減小.

2.2 發(fā)電機電磁特性分析

發(fā)電機發(fā)電性能試驗風速與風輪氣動性能試驗風速一致，通過測得的發(fā)電機負載、電流和電壓隨轉(zhuǎn)速的變化分析發(fā)電機的電磁特性.圖6為電阻R隨轉(zhuǎn)速變化曲線，由圖可以看出，不同風速下，增大電阻，即減小負載，導致風輪轉(zhuǎn)速增加.

圖6 電阻隨轉(zhuǎn)速變化曲線

通過改變滑動變阻器電阻引起的輸出電壓與輸出電流隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖7，8所示.由圖7可以看出，在相同風速下，輸出電壓隨轉(zhuǎn)速的增大而線性增大，然而，由圖8可以看出，輸出電流隨著轉(zhuǎn)速的增大先增大，在轉(zhuǎn)速150～200 r/min范圍，隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，當轉(zhuǎn)速超過200 r/min時，輸出電流急劇增大，隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，輸出電流大致保持不變.在相同轉(zhuǎn)速下，感應(yīng)電動勢Eφ與轉(zhuǎn)速n與成正比例關(guān)系，即相同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的感應(yīng)電動勢Eφ相同.然而,隨著風速的增大，發(fā)電機的負載增大，輸出電流和發(fā)電機中樞阻抗壓降隨著風速的增大而增大，從而導致輸出電壓隨著風速的增大而減小.

圖7 輸出電壓隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖8 輸出電流隨轉(zhuǎn)速變化曲線

2.3 發(fā)電機發(fā)電性能分析

基于測得的發(fā)電機電壓和電流，不同風速下，試驗發(fā)電機的發(fā)電功率PE和電磁扭矩ME隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖9，10所示.從圖9可以看出，發(fā)電性能試驗?zāi)軌蚍€(wěn)定測得從低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速的發(fā)電功率，不同風速下的電磁功率曲線所對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速為電磁特性試驗所能調(diào)節(jié)得到的最大轉(zhuǎn)速，總體上發(fā)電功率隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大.此外，相同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的發(fā)電功率隨著風速的增大也是增大的，在低轉(zhuǎn)速時增加量不明顯，而在高轉(zhuǎn)速下增加量非常顯著.

圖9 發(fā)電功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

從圖10電磁扭矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線可以看出，電磁扭矩的變化曲線與發(fā)電機電流變化曲線相似，這也進一步證明發(fā)電機電流大小能夠表征負載的大小.在低轉(zhuǎn)速下，不考慮電抗，電磁扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，在轉(zhuǎn)速150～200 r/min范圍，電磁扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小.轉(zhuǎn)速超過200 r/min后，電磁扭矩急劇增大，當轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，由于頻率的增加，電抗在阻抗中的比重增大，電磁扭矩大致維持不變.此外，相同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電磁扭矩隨著風速的增大而增大.

圖10 電磁扭矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線

2.4 氣動性能與發(fā)電性能差異及原因分析

在圖4氣動功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線的基礎(chǔ)上，分別將不同風速下氣動功率峰值和發(fā)電功率峰值連接，可以得到如圖11所示的最優(yōu)工作點曲線和實際工作點曲線.由圖可以看出，通過調(diào)節(jié)永磁發(fā)電機負載大小所得到的實際工作點曲線始終位于風輪最優(yōu)工作點曲線的左側(cè)，相同風速下發(fā)電功率峰值及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速均小于氣動功率峰值及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，由此風能得不到最有效的利用.此外，在低風速下，實際工作點曲線與最優(yōu)工作點曲線偏差較大，但是，隨著風速的增大，實際工作點趨近最優(yōu)工作點曲線.

圖11 氣動性能和發(fā)電性能差異曲線

為了揭示氣動性能和發(fā)電性能差異的原因，比較不同風速下的風輪氣動功率和電磁功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖12所示.從圖中可以看出，在風速5 m/s下，低轉(zhuǎn)速對應(yīng)的氣動扭矩大致保持不變，當轉(zhuǎn)速超過230 r/min，氣動扭矩急劇減小，然而，轉(zhuǎn)速150 r/min對應(yīng)的電磁扭矩已大于機械扭矩，抑制了發(fā)電機轉(zhuǎn)速的增加；在風速為7，8 m/s時，在達到發(fā)電機電磁扭矩峰值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之前，不同轉(zhuǎn)速下氣動扭矩均大于電磁扭矩，因而，發(fā)電機轉(zhuǎn)速能夠不斷提高.當風輪氣動扭矩經(jīng)過峰值后急劇減小，然而，電磁扭矩幾乎不隨轉(zhuǎn)速改變，兩者逐漸接近，直至氣動扭矩不足以抵抗電磁扭矩，發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到測試中的最大值.氣動扭矩和電磁扭矩的不匹配導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速達不到風輪氣動最優(yōu)點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，這也是風力機氣動性能和發(fā)電性能存在明顯差異的原因.

圖12 電磁扭矩與氣動扭矩比較曲線

3 結(jié) 論

1) 對風輪進行氣動性能試驗，得到了風輪在不同風速下功率、扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，為風輪氣動性能評估、氣動外形設(shè)計優(yōu)劣評價以及發(fā)電機選型提供數(shù)據(jù)支持.對發(fā)電機進行發(fā)電性能試驗，得到了永磁發(fā)電機的電磁特性，輸出電壓隨著轉(zhuǎn)速的增加而線性增加，電磁扭矩與輸出電流的變化規(guī)律一致，發(fā)電功率主要由風輪氣動性能決定.

2) 風輪的氣動扭矩不能持續(xù)大于發(fā)電機所需的電磁扭矩，發(fā)電機轉(zhuǎn)速達不到風輪氣動最優(yōu)點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機將在最優(yōu)工作點曲線左側(cè)運行.風輪氣動扭矩和發(fā)電機電磁扭矩的不匹配是導致氣動性能和發(fā)電性能顯著差異的主要原因.因此，準確獲取風輪的氣動扭矩和發(fā)電機的電磁扭矩曲線是實現(xiàn)風輪和發(fā)電機功率匹配的關(guān)鍵.