3.1 風力機的基本理論

3.1.1 風力機的運行特性

風力機可分為變槳距和定槳距兩種。變槳距風力機的特性通常由一簇風能利用系數CP的無因次性能曲線來表示。如圖3-1所示。風能利用系數CP是葉尖速比λ的函數，同時也是槳葉節距角β的函數。從圖中可以看出，當槳葉節距角逐漸增大時，該曲線將顯著減小。

變槳距風力機是定槳距風力機的改進和發展，但定槳距風力機特性是變槳距風力機的基本情況，具有代表意義，是討論最大風能追蹤的依據。從上面的分析可知，在某一固定的風速v下，隨著風力機轉速的變化，CP的值會相應地變化，從而使風力機輸出的機械功率 Ps變化，也就是說，轉速變化，會導致風力機捕獲風能的能力發生變化。根據圖3-2，可以導出不同風速下風力機的輸出功率和轉速的關系，如圖3-3所示。圖中不同風速下風力機的功率一轉速曲線組成了曲線簇，每條功率-轉速曲線上最大功率點的連線稱為風力機的最佳功率曲線（Popt曲線）。風力機運行在 Popt曲線上將會輸出最大功率Pmax，其值為：

式中 ρ——空氣密度，kg/m3；

S——風輪的掃風面積，m2；

R——風輪半徑，m；

CP max——最大風能利用系數；

λopt——最佳葉尖速比。

從每平方米掃風面積可知，對于特定的風力機，其最佳功率曲線是確定的，最大功率和轉速成三次方關系。定槳距風力機的特點可總結如下：

（1）在某一固定的轉速下，風速v越大，風提供的輸入功率越大，風力機輸出的機械功率也越大。

（2）在某一固定的風速下，風力機在某一轉速時可以輸出最大的功率，轉速較小或較大時風輪機輸出功率都會降低，該點與圖3-2中λ=λopt、CP=CP max點相對應，此時的轉速稱為最佳轉速。

（3）風力機最佳轉速是相對于某一確定的風速來說的，隨著風速的增加，風力機最佳轉速也增加。

3.1.2 風力機的最大風能捕獲運行原理

風力機是整個風力發電系統能量轉換的首要部件，它用來截獲流動空氣所具有的動能，并將風力機葉片迎風掃掠面積內的一部分空氣的動能轉換為有用的機械能，所以它不僅決定了整個風力發電系統裝置有效功率的輸出，而且直接影響機組的安全穩定運行。

由風力機的空氣動力學特性知，風力機的輸入功率為：

式中 ρ=1.25kg/m3；

v——上游風速，m/s。

風力機的機械輸出功率為：

式中 D——葉片的直徑，m。

根據貝茨理論，CP 的最大值為0.593。一般的水平軸風力機，CP 為0.2～0.5，本書取CP max=0.48，這樣根據初始風速，可以求出對應的最佳電機轉速為：

式中 R=2.15m；

λopt——最佳葉尖速比，取λopt=9；

N——齒輪箱增速比，取N=6.254。

對應最大風力機輸出功率理論值為：

本風力發電機組的運行區域如圖3-4所示。

當達到啟動風速后，風輪轉速由零增大到發電機可以切入的轉速后，風力發電機組開始作發電運行，通過對發電機的轉速進行控制，CP不斷上升，直至CP=CP max，進入CP 恒定區，這時機組在最佳狀態下運行。這段區域主要是調節發電機組機械轉矩（有功功率給定值），使轉速隨著風速而變化，使λ=λopt，實現最大風能捕獲。