[发明专利]垂直轴风力发电机组的最佳转速转矩跟踪曲线的测量方法

说明书

本发明涉及一种垂直轴风力发电机组的最佳转速转矩跟踪曲线的测量方法，其步骤为：（1）根据理论计算结果和相似系列的经验，预估待测风力发电机组的最佳尖速比和功率系数；（2）根据预估的最佳尖速比和功率系数确定预估的转速转矩跟踪曲线；（3）通过对预估的转速转矩跟踪曲线进行X轴方向的缩放，得到一组缩放程度不同的转速转矩跟踪曲线；（4）风力发电机组跟踪上述不同的转速转矩跟踪曲线运行后，比较实际输出功率的大小。其中实际输出功率最大的转速转矩跟踪曲线，即为最佳转速转矩跟踪曲线。本发明的方法能够使得风力发电机组能够在自然实际风场中运行时得到其固有的最佳转速转矩跟踪曲线。

技术领域

本发明涉及一种风力发电机的最佳转速转矩跟踪，尤其是一种垂直轴风力发电机组的最佳转速转矩跟踪曲线的测量方法。

背景技术

垂直轴风力发电机采用H型达里厄结构形式，其风轮部分结构示意图如图1和图2所示。其采用H型固定翼直叶片2，其叶片2个数为2～4；其各个叶片2与旋转方向的攻角为固定值α。水平横向3连接杆把H型直叶片上的气动力转变为作用在风轮中心发电机转子上的转矩。把叶片3在叶片几何中心旋转扫掠面上的径向投影面积占整个扫掠面的比定义为实度SD，该风力发电机组的实度SD＜0.2。风轮叶片中心线4的扫掠圆(圆柱)的半径为R，叶片高度为H，扫掠面的垂直投影面积为：A＝2R·H

把风力发电机组叶片旋转线速度和风速的比定义为尖速比TSR；该风力发电机组运行风速范围为从切入风速到额定风速，再到切出风速，例如典型数据有：切入风速为3m/s，额定风速为12m/s，切出风速为20m/s。风力发电机组在切出风速之下的任一恒定风速V下，风轮转速和输出机械转矩之间的关系曲线具有如下特点：

1.在某一尖速比TSRTmax下，即风轮转速为NTmax＝9.55*V/R*TSRTmax时，风轮输出机械转矩达到最大Tmax，该工作点称为最大转矩点；

2.在尖速比位于0～TSRTmax之间，即风轮转速位于0～NTmax，风轮输出机械转矩存在一个最低点(TSRTmin，Tmin)，该点Tmin＜Tmax/4；TSRTmin对应的风轮转速为NTmin＝9.55V/R·TSRTmin；

3.在某一尖速比TSRPmax时，即风轮转速为NPmax＝9.55VW/R·TSRPmax，风轮输出功率达到最大Pmax；NPmax＞NTmax，该工作点称为最大功率点，此时的尖速比可以称为最佳尖速比；

4.风轮空载时转速达到最高，为N0，N0＞NPmax；

5.在NTmin和NTmax之间，风轮输出转矩单调增加；

6.在NTmax和N0之间，风轮输出转矩单调减小；

上述转速N和机械功率T的关系曲线示意图见图3，该曲线称为转速转矩特性曲线。

当恒定风速取不同值，可以得到一组转速转矩特性曲线，如图4所示，表示的是不同风速分别为V1、V2、V3、V4(V1＜V2＜V3＜V4)时的一组转速转矩特性曲线。各恒定风速下的转速转矩特性曲线上的最大功率点连起来，就可以得到最佳转速转矩跟踪曲线。在额定风速之下，如果风力发电机组的发电机电磁制动转矩能实时迅速跟踪由测得的实时转速在该最佳转速转矩跟踪曲线上的转矩函数值，则该风力发电机组可以在尽可能多地输出机械功率，进而尽可能多地发出电功率。假设V3为额定风速，则额定功率之下的最佳转速转矩跟踪如图4粗实线部分所示。在额定风速之上，如果继续跟踪最佳转速转矩跟踪，则会导致需要发电机给出的电磁制动转矩大于其设计最大值，导致风力发电机组不受控。因此，在额定风速之上不再跟踪最佳转速转矩跟踪曲线，而是通过保持或者降低风力发电机组的转速，使得风力发电机组不工作在最佳尖速比附近，叶片在大部分时间处于失速运行状态，风力发电机组从风获取的能量减小，可以利用恒定风速下转速转矩特性曲线在低转速下转矩下降的特点，使得在风速较大时风力发电机组的转矩能够保持在较低值，并且该较低值低于发电机的设计最大转矩值，从而保证风力发电机组能够在额定风速之上，切出风速之下安全运行。