风力机功率特性及其影响因素分析

对于任何风力发电设备来说，功率曲线都是最重要的特性。功率—风速曲线和风速—概率分布曲线如（瑞利分布）都是用来估算风力发电设备年发电量必不可少的数据。图2-14是典型的风力机功率曲线，实线表示的是失速调速型风力机，虚线表示的是变桨调速型风力机。当风速低于额定风速时，风力机的理想工作状态是以最大功率系数c_PA来跟随总功率曲线（风速的3次方）。只有当风速高于取值大约为3～4m/s的切入风速时，风力发电机才会发电。

图2-14 失速调节与变桨调节的典型功率曲线

当风速高于额定风速时，功率限制策略取决于风力机控制系统的种类。

1）变桨调节：当风速升高至额定风速以上时，变桨系统开始工作，捕获功率严格等于额定功率。

2）失速调节：当风速升高至额定风速以上时，功率曲线上能看到明显的瞬态超调。

设计风力机时，必须给出的重要参数如下：

1）平均风速v_av（如可以是地面以上10m或30m处的水平风速，或者是轮毂高度处的测量风速）。

2）最优工作点，包括该点的风速v_opt和叶尖转速比λ_opt。

3）风力机满功率运行时的风速。(www.xing528.com)

4）功率限制系统的起动风速，即额定风速。

5）切入风速，此时风力机开始发电。

6）切出风速，此时风速过高，风力机关闭。

7）存活风速，百年一遇的风暴风速。

设计标准规定风力发电机必须有两套相互独立的制动系统：一个作为日常使用的行车制动系统；另一个作为驻车制动系统。行车制动系统的设计效能要足够高，在25m/s的切出风速时也要能够将风力发电机制动。

实际上风力发电机的功率曲线大都是在实验场中测量出来的。风力机在切入和切出风速之间运行，把它的有功功率P和功率系数c_P与风速的关系记录下来绘制成图表，这就是测量的结果了。图2-16是一台额定功率为1.8MW，额定风速为14m/s的风力机的实测曲线。测量装置如图2-15所示^[DEWI]。

对于图2-16所示的风力机，风速为14m/s是功率限制系统的启动风速，当风速高于14m/s时，风力机进行额定功率发电。但是在风速为14m/s时，风力机的功率系数c_P却并不是最高的，最高功率系数c_Pmax出现在风速为8m/s时。

图2-17、图2-18给出了一些风力机的捕获功率密度^[BWE07]，其中风力机仅包括850kW以上的大型风力机。图2-17给出了风轮直径与额定功率的关系、额定转速与额定功率的关系。通过这些数据归纳出的趋势线可以发现，大多数风力机的捕获功率密度集中在0.35～0.45kW/m²，并且将来的趋势是越来越大。图2-18右侧图的数据是一些2MW风力机的年参考捕获能量与轮毂高度的关系图。由图中趋势线可以看到，实际年均捕获参考能量多分布在900～1100（kWh/a）/m²。如此大的数据离散性是因为有的风力机是设计在高风速下工作的，有的则是在低风速下工作的。