风电机风能利用率研究(总结报告)

风电机风能利用率研究(总结报告)（通用3篇）

篇1：风电机风能利用率研究(总结报告)

XXX公司

风能利用率研究总结报告

XXX公司下属于XX集团新能源发展有限公司，是华电新能源首个投产的XX风力发电场，总装机容量120MW，随着XX风电场一期和扩建项目的陆续投产，XX公司下属风电装机容量将超过500MW，风电机组将达到350台以上。随着风电场规模的增加，风电机的运行工况及效益指标日益重要，虽然风电机实施监控系统可以记录风电机出力曲线，但不能全面反映风电机出力的运行工况，无法实现与标准功率出力曲线进行综合计算和比较，实现公司机组运行出力最大化。

因此，需要迫切研究风电场风电机根据实际风资源情况综合计算风能利用提高率应用系统，以实现与风电机厂家提供的风电机标准功率曲线进行比较。逐步加强风电场技术管理水平是电网对风电场风电机控制发展的必然趋势，也是风电场较为薄弱网架条件下，研究风电机组实际风功率曲线是了解和掌握，风电机利用设备情况的重要技术手段之一。

目前国内外对于风功率曲线的计算方式比较复杂，国外也只有为数不多的不知名可研机构对风功率曲线专门研究，核实功率曲线费用很高，且数据利用价值低。

风电机可利用率研究是根据统计学概率而作的基础性研究，通过风电机实际参考的功率曲线和风机厂家标准功率曲线比对计算，得到符合实际的功率曲线值。XXX公司下属于XX集团新能源发展有限公司，华电新能源首个投产的XX风力发电场，总装机容量120MW，随着XX风电场一期和扩建项目的陆续投产，XX公司下属风电装机容量将超过500MW，风电机组将达到350台以上，有经营风电场的丰富经验，已收集了大量各种风力发电机组全工况资料，包括环境条件、风能变化情况以及电网网侧各项技术参数、测试方法及手段的相关资料，在风电场建设、运行及管理等方面也积累了丰富的经验。

项目具体实施方案如下：

1、系统应用C/S或者B/S体系、关系数据库结构、面向对象技术、图形用户界面、计算机语言、网络通讯等技术，支持目前主流关系型数据库，可实现查询、分析、整理等功能，提供数据列表的动态过滤、动态排序，数据可实现EXCEL导出功能，以及实现公司与风场的远程控制。

2、本系统主要考虑将风速和出力作为系统的输入，通过系统的概率和积分统计，不断进行修正和校正，采用线性回归法对风电机OPC数据库进行数据的采集和分析，根据非参数估计的思想，建立风速—风电功率转换模型。

3、风电机实测功率数据进行有效性分析，分时间阶段作为模型实测的基本数据，以真正提高风电机功率分析的准确性，避免由于数据库数据覆盖率小而失真，减小误差。

4、系统管理模块可实现对系统的设计、配置等功能，包括设计工作流程，规划用户使用权限，对系统内的标准参数和运营参数进行配置，对系统辅助应用程序进行设置等。同时，软件系统预留扩展接口，保证系统的可延续性，可以对管理系统进行进一步的完善和扩展。

应用风电场风电机实际风能利用率系统，主要有以下几个方面的作用和效益：

1、确保设备稳定

随着风电场规模的增加，风电机的运行工况及效益指标日益重要，通过该系统实现与标准功率出力曲线进行综合计算和比较，及时掌握生产设备的运行工况，确保风电场机组运行出力最大化。

2、提供决策依据

为将来实现风功率预测做依据，指导风电企业做好及月度等各项生产计划；

3、积累管理经验

系统形成的生产管理数据库，包含了工作过程中形成的各种经验和数据，完成了企业生产管理知识的不断积累和有效利用。这些经验的积累，还可为今后风电场的建设运营提出可行性建议，同时可对新员工知识积累和成长起到积极促进作用。

4、提高经济效益，降低生产成本

风电场风电机实际风能利用率系统，对风电场的预防性和计划性维修管理，可以有效的降低风机故障率，缩短设备维修时间，提高风机的可靠性、降低生产成本。本项目成功实施后，可在XX集团新能源发展有限公司所属各风电公司进行大力推广，为XX集团风电产业的生产管理提供强大技术支撑，其效益是巨大的。

XXX公司

2012年2月13日

篇2：风电机风能利用率研究(总结报告)

1 系统构成

在双馈异步风力发电系统中,双馈电机定子和电网直接相连,转子通过交-直-交变换器与电网相连,转差功率可实现双向流动。由于通过变换器的功率仅仅是转差功率,这使得系统接入电网的变频器容量大大减小。交流励磁双馈风力发电系统结构如图1所示。

电压型交-直-交变频器可明显改善双馈发电机输出电能质量。各部分作用如下:

1)直流母线侧电容对能量的双向流动起缓冲作用,使网侧和转子侧变频器控制相互独立;

2)网侧PWM变换器的作用是保持直流母线电压的稳定和控制输入功率因数;

3)转子侧PWM变换器采用定子磁链定向矢量控制,可实现基于风机最大风能追踪的发电机有功与无功的解耦控制。

2 最大风能追踪机理

2.1 风能特性

风力机输出机械功率与风速有如下关系:

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式中:ρ为空气密度,kg/m3;v为上风向风速,m/s;CP为风能利用系数;A为风力机桨叶扫掠面积,m2,A=πR2,R为风轮半径。

风能利用系数Cp是关于叶尖速比λ和桨距角β的非线性函数,即:

其中 1/λi=1/(λ+0.08β)-0.035/(β3+1)

通常各系数取值为:c1=0.517 6,c2=116,c3=0.4,c4=5,c5=21,c6=0.006 8。

叶尖速比λ为

λ=2πRn/v=ωR/v (3)

式中:ω为风轮的角速度,rad/s;n为风力机风轮转速,r/s。

图2为Cp(λ,β)函数曲线,在定桨距(Δβ=0)情况下,叶尖速比λ决定风能利用系数Cp的大小。对于特定风力机,存在唯一的最佳叶尖速比λopt,使得Cp达到最大值Cpmax。当叶尖速比λ偏离最佳叶尖速比λopt,就会使风能利用系数Cp减小,降低风能利用及转换效率。根据贝茨理论,风能利用系数的极限值约为0.593。

2.2 双馈风力发电机运行区域

根据不同风速,双馈风力发电机组运行控制可分为图3所示的4个运行区域,即启动区、最大风能追踪区、恒转速区和恒功率区。

启动区(AB):风速小于切入风速,发电机与电网脱离,不作发电运行。

最大风能追踪区(BC):风力发电机并网后运行在最高转速以下的区域。此时,风力机处于定桨距运行状态。在风速一定时,风力机轴上的输出功率只与双馈电机转速有关,调节双馈电机转速使其运行于最佳功率曲线上,实现最大风能的追踪。

恒转速区(CD):发电机转速达到最高转速,但风力机输出功率未达到额定功率,为了保护机组不受损坏,不再进行最大风能追踪控制,而是通过桨距控制将机组转速限制在最大允许值上。

恒功率区(DE):随着风速的增大,风力机输出的机械功率不断增加,此时发电机和功率变换器将达到其功率极限,必须通过变桨距控制对机组功率加以限制,使风电机组处于恒转速恒功率运行状态。

综上,额定风速以下时,风电机组的运行不受功率限制,机组控制系统的任务是:通过对转速的调节来跟踪最佳Cp曲线以获得最大风能转化效率;高风速时,最优Cp值对应的机械功率将超过风力机额定功率,必须通过变桨距控制来限制风力机输出功率。

因此在设计风机时,通常将最常出现的风速范围作为其最大风能追踪区。在此区域通过对DFIG转子侧PWM变换器的控制来实现整个风电系统的最大风能追踪。

2.3 最大风能追踪过程

图4给出了不同风速下风力机输出的机械功率与风力机转速的曲线图,当风速为v1时,系统稳定运行于A点可获得最大风能。当风速突变为v2的瞬间,由于机组转动惯量很大使得风力机转速ω1无法突变,此时风力机输出机械功率由PmechA突变为PmechB,但双馈电机总的输出电磁功率仍为PmechA,多余的机械功率将使风力机转速上升。在转速上升过程中,风力机输出机械功率沿BC曲线运行,发电机电磁功率沿AC曲线运行,最终二者在C点重新达到动态平衡。

实际运行中,风速的测量比较困难,因此转速控制不是通过直接的转速闭环实现,而是通过控制DFIG从风力机轴上吸收的机械功率来间接控制转速。不以转速控制为目标,而以风力机运行于最佳功率曲线为直接目标,最终获得最佳转速和最佳叶尖速比。

本文采用变速恒频双馈异步风力发电技术,交流励磁变速恒频双馈风力发电系统的控制主要是通过对转子侧PWM变换器的矢量控制实现的。

3 双馈电机转子侧定子磁链定向矢量控制策略

3.1 双馈电机数学模型

双馈异步电机d-q动态等效电路如图5所示。

双馈电机d-q坐标下电压方程为

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磁链方程为

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式中:u,i,Ψ分别为电压、电流和磁链;R,L为电阻和自感;下标d,q表示d-q轴分量,下标s,r表示定转子分量;Lm为互感。

电磁转矩Te为

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3.2 定子磁链定向矢量控制

双馈系统的矢量控制一般是将转子交流量分解成有功分量和无功分量,并对其进行闭环控制。为了简化双馈矢量控制系统的电磁转矩和其他矢量的复杂关系,需要使坐标轴定向在某个矢量上。这里采用定子磁链定向矢量控制方法。

以定子磁链定向时,undefined。其中由于定子绕组接无穷大电网,因此定子电压us与电源角频率ωs均恒定不变。undefined为常数。

忽略定子电阻Rs得:

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则双馈电机定子侧的有功与无功可变为

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由于Ψqs=0,电磁转矩的表达式可以写成如下形式:

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由式(4)～式(7)可导出:

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式(11)表明,转子电压的d-q分量可用转子电流d-q分量表示,也就是说可通过控制转子电压来调节转子电流的大小,间接调整定子电流大小从而实现对双馈电机功率的调节。

补偿电压为

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定子磁链定向矢量控制传动系统框图见图6。

4 仿真验证

在Matlab/Simulink中,根据控制策略建立相应的控制系统模型。双馈电机的部分参数如下:双馈电机极对数p=3,额定风速12 m/s,切入风速3 m/s,切出风速25 m/s,额定功率1.5 MW,其中风速采用基本风、阵风、渐变风及随机噪声风4种风速的拟合。

将风速、双馈电机及其控制系统模型与无穷大电网模型相连并进行仿真,仿真结果如下。

图7表示双馈电机转速、有功与无功及风力机桨距角随风速变化而变化的曲线,从上到下依次为风速、发电机转速(标幺值)、发电机发出的有功、无功功率以及桨距角的变化。通过有功功率与风速变化的比较可以看出,风力发电机能够实现最大风能的追踪,当风速过高,有功功率达到风力发电机极限时,变桨距控制机构动作将有功功率限制在其额定值1.5MW处。而发电机在建立励磁电压时需要吸收一定的无功功率,此后通过无功补偿可将无功功率控制在可接受的范围内,提高系统功率因数。

图8为定子磁链与直流母线电压Vdc的变化曲线。可以看出定子磁链除了在启动时存在一些较小的扰动外,绝大部分时候近似保持为1不变,符合定子磁链定向的要求。而直流母线电压在启动的瞬间存在较高的冲击电压,随后在母线电容及网侧变换器的作用下保持恒定值,这对网侧和转子侧能量的双向流动起到了缓冲作用,同时使得两侧变频器实现独立控制。

5 结论

本文简要介绍了双馈风力发电系统结构及其数学模型,并对最大风能追踪机理从风能特性、变速恒频运行策略以及最大风能追踪过程方面进行分析。通过对双馈电机转子侧PWM变换器采取定子磁链定向的矢量控制方法,实现双馈电机有功和无功的独立调节。通过控制双馈电机从风力机轴上吸收的机械功率来间接控制转速,使风力机始终运行在最佳叶尖速比上,从而实现最大风能的捕获。仿真结果表明该方案可行。

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篇3：长方体建筑屋顶风能利用效能研究

关键词：风能；建筑环境；建筑屋顶；利用效能

中图分类号：TU023；TK89文献标志码：A文章编号：16744764（2012）03011707

Wind Power Utilization Efficiency on Roof of Rectangular Buildings

YUAN Xingfei, ZHANG Yu

(Space Structures Research Center, Zhejiang University, Hangzhou 310058, P. R. China)

Abstract:Installing small wind turbines on the roof of buildings is a new way of wind power utilization in recently years. Based on the annual mean wind speed, the efficiency of wind power utilization on roofs of buildings was studied and the evaluation indexes for the utilization efficiency were proposed. With the help of CFD numerical analysis, the analysis on wind power utilization efficiency on flat roofs of rectangular buildings was carried out. The performance indexes of reference points under different windward angles were investigated. The best position and arrangement of wind turbines on the roof were also discussed. Furthermore, the utilization efficiency of four roofs with different shapes were analyzed and compared with that of flat roof.

Key words:wind power; building environment; building roofs; utilization efficiency

大力开发风能是解决中国能源短缺、实现可持续发展战略的重要途径之一［1］。建筑环境中的风能利用具有免于输送的优点，所产生的电能可直接用于建筑本身，为绿色建筑的发展提供了一种新的思路，对实现建筑可持续化发展、缓解能源与环境矛盾具有重要而深远的意义。

近年来一些学者对建筑环境中的风能利用技术进行了探索。研究主要着眼于可行性分析［24］、建筑风环境模拟［57］、建筑风力集中器设计［89］以及适宜建筑环境的风力发电机开发［1011］等方面。与沙漠、旷野、近海相比，建筑环境中的风场相对复杂、紊流加剧、风速降低，但局部区域也存在较大风速，如高层建筑顶部的小急流、建筑物开洞部位的穿堂风、相邻建筑通道的夹道效应等。为提高风能利用效率，风力机通常安装在上述部位。根据建筑中风力机的放置位置，风能利用建筑大致可分为：顶部安装型、空洞安装型和通道安装型。其中顶部安装型应用较为广泛。本文采用CFD数值模拟方法分析了长方体平屋顶建筑的风能利用效能，研究了不同迎风角对建筑风能集结效果的影响，探讨了风力机的最佳安装位置，并对屋顶形式进行了优化分析，提出了有利于风能集结效果的屋顶形式，为实际工程应用提供理论基础和技术支撑。1建筑风能利用效能评价指标

风力机的功率与风速三次方成正比，因此风力机的安装位置应选取风速相对较大的位置，同时避免高湍流。为降低成本，还应尽量降低风力机的安装高度。由此提出以下评价屋顶风能利用效能的指标：〖=D(〗袁行飞，等：长方体建筑屋顶风能利用效能研究〖=〗

1）风速增大系数Cv=V/V0－1，衡量建筑风能集结效果最主要的参数，其中V为高度z处的实际风速，V0为高度z处未受建筑挠动时的风速。Cv越大，表明建筑对风能的集结效果越好，N个位置的总风速增大系数为Cv总=ΣNi=1Cvi。

2）湍流强度I，衡量建筑风场的湍流程度。风场的湍流会减少风机输出功率，引起极端荷载，最终削弱破坏风力机，因此风力机的安装位置应避免高湍流。

3）屋顶紊流厚度δ，是屋顶风速变化梯度较大区域和高湍流区域两者高度的最大值，用来评估风力机的安装高度。

4）实际风速V，衡量具体位置的风能情况，评价其风能利用的可行性，同时为适宜风力机的选择提供依据。

5）风速倾斜角γ，水平轴风力机尚不能利用垂直方向的风速进行发电；对于垂直轴风力机，风速倾斜角在一定程度上可提高风力机的功率［12］。

6）行人高度处风速V2,max，衡量建筑风环境的舒适度。为满足建筑风环境舒适度，要求V2,max≤5 m/s。2建筑风环境数值模拟假定和方法

2.1数值模拟基本假定

nlc202309010624

通过分析可见，在（0.00，450）之间，前沿，中线和后沿的风速增大系数合值均随着φ的增大先减小后增大，最大值出现迎风角φ=0.00时；在（45.00，90.00）之间，风速增大系数合值急剧减小；当φ=900时，达到最小值。

3.3屋顶风力机安装位置

屋顶风力机的安装位置应选取风速相对较大，且变化较平稳的位置，以减小风力机叶轮的脉动，同时避免高湍流。屋顶安装风力机的高度宜满足h≥δ+D/2，D为水平轴风力机的直径，对于垂直轴风力机的安装高度宜满足h≥δ。

由前述分析知，对于平屋顶不同位置来说，前沿点的风能集结效果最好——风速比达到最值时的高度最低，且风速变化梯度趋于平稳时的高度也最低，同时避开了高湍流；由于建筑屋面对风速的阻碍作用，建筑物屋顶上的风速在同一高度下，由前沿到后沿呈下降趋势，随着高度的增加，同一高度处，屋面的风速趋于一致。

建筑物屋顶安装风力机的紊流，除了来自建筑物的影响之外，还有一个重要的因素：风力机尾流的相互影响。为了尽量减少风力机尾流的相互影响，风力机的排列间距应满足一定的要求［12］。因此风力机应在年主风向垂直的方向上尽量多的排放，对于安装风力机的建筑来说，应尽可能使建筑的长度方向垂直于年主风向方向，即来流风向控制在（-45°，45°），以提高风力机的发电效能。

假设年主风向垂直于建筑长度方向，当风机尺寸D>W/8时，风力机沿前沿单排布置的风能利用效率最佳，考虑到风速倾斜角的问题，应优先选择升力型垂直轴风力机［12］，当安装水平轴风力机时，可倾斜一定角度，安装高度大于5 m；亦可沿中线单排布置，安装高度大于10 m，其利用效能较好，还可减少结构不均匀受力；当风机尺寸D＜W/8，风力机沿宽度方向可多排布置，其中前后排有高差排列的风能利用效能较前沿单排布置和中线单排布置方式好，既可以有效地利用风能，降低安装高度，又可以减小风力机之间的尾流影响。4长方体建筑不同屋顶形式分析

4.1不同屋顶形式的几何模型

目前，在将风力机引入建筑物的技术中，平屋顶上直接安装风力机是一种最直接最易实现的方式，因此本文在分析其对风能集结效果的基础上，将其作为分析其他屋顶形式风能集结效果的参考依据，如图7为4种不同的屋顶形式，建筑物的长度L、宽度W和总高H均不变。其中图7(a)为前高单坡型屋顶；图7(b)为后高单坡型屋顶；图7(c)为圆弧双坡型屋顶；图7(d)为梯形双坡型屋顶，屋顶面的宽度l=5 m。各屋顶形式的屋顶倾斜高度分别用Ma、Mb、Mc、Md表示。取各屋顶形式的屋顶倾斜高度分别为2.5、5.0、7.5、10.0 m与平屋顶（M=0）进行比较分析。

图7屋顶不同形式

4.2不同形式屋顶的风能利用效能

分析迎风角φ=0时，各屋顶形式的风能利用效能。图8为各屋顶形式屋顶倾斜高度等于5 m时，建筑中间竖直剖面的风速V等值线图和湍流强度I等值线图。由图8可见，前高单坡型屋顶前沿点的紊流厚度与平屋顶的基本相同，中线点和后沿点的紊流厚度有所增大，同一屋顶高度处，风速有所减小；后高单坡型屋顶前沿点的紊流厚度较平屋顶的高，中线点尤其是后沿点的紊流厚度有所减小；双坡型屋顶中线点的紊流厚度较平屋顶有所减小，屋顶以上同一h下，圆弧双坡型屋顶中线点的风速较平屋顶的大。

图8各屋顶形式建筑y=0 m竖直剖面风速等值线图(m/s)

图9为不同屋顶倾斜高度下，各形式屋顶的风速增大系数Cv随屋顶以上高度h的变化情况。相比平屋顶形式，以上4种屋顶形式，只有圆弧双坡型屋顶和梯形双坡型屋顶的风速增大系数最值有所提高，其中圆弧屋顶提高的幅度最大。随着屋顶倾斜高度的增加，圆弧屋顶的风速增大系数最值越来越大，且达到最值时所对应的高度h也越来越小；其他形式屋顶的风速增大系数最值越来越小，但最值所对应的高度h越来越小。

综上，当迎风角φ=0时，前单坡屋顶适宜沿前沿单排安放风力机，中线和后沿的紊流厚度较大，不宜安放风力机；虽然后单坡屋顶的风速增大系数较平屋顶有所减小，但中线和后沿的紊流厚度明显减

图9不同屋顶高度下各屋顶形式特征位置风速

增大系数Cv变化情况

小，风力机沿前沿、中线和后沿安放的利用效能相当，当建筑宽度允许的情况下，可以利用建筑本身前后的高差实现风力机的多排布置；圆弧双屋顶和梯形双屋顶沿中线安放风力机的风能利用效能较平屋顶有所提高，由于只可单排安放风力机，适宜建筑宽度较小的建筑。5结论

通过CFD数值模拟分析了长方体建筑屋顶风能利用效果，比较了不同迎风角、不同屋顶形式对风能集结效果的影响，得出以下结论：

1）长方体平屋顶建筑的屋顶对风能有一定的集结效果，其集结效果受来流风向影响较大。

2）长方体平屋顶建筑沿屋顶前沿点安装风力机的风能利用效果最佳——相同风速下，其安装高度最低，同时应将来流风向角控制在（-450,450）的范围内。当建筑宽度较大时，长方体平屋顶建筑屋顶可前后有高差地多排安放风力机，既减小风力机尾流的影响，同时也可增加屋顶风力机的安装数目，提高建筑屋顶的总发电量。

3）几种不同屋顶形式下，后单坡屋顶宜发展前后有高差多排布置风力机；当屋顶单排布置风力机时，梯形双坡屋顶和圆弧双坡屋顶沿中线单排布置风力机的效能最佳。

4）通过分析得知建筑屋顶对风能具有一定的集结效果，但建筑屋顶风场比较复杂，紊流很大，对风力机性能的影响不容忽视，风力机能否在建筑中得到广泛应用，还需进一步的研究。

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（编辑王秀玲）