2025北京国际风能大会暨展览会(CWP2025)：风力机系统解析-效率提升及稳定运转

风力机系统解析-效率提升及稳定运转Dr.-Ing.Chen,Chun-Ming陈俊铭博士顾问1887Charles

F.Brush.

18m

高4ton

12kW1891JamesBlyth换，再透过电力转换器(整流变频)及变压器将电能送上电网。风场

叶轮前叶轮后

风力机

旋转动能=吸收的风能叶片转子

-

(

输

出

能

量

+

损

耗

)速、障碍物后

e

λ

、Pitch

Angle0~100%

传动链(GB+G)80%~98%ρ

风能%ad50bl%to15Ro形风地Vρ=1.225kg/m3自然风吹转叶轮，带

冬毂P

10，,能为5°机C械,能，然后电能转换<98%ElectricenergyTransfer输出Out12%~48%机电能MechanicorelectricenergyWindenergy100%无障碍下测风塔风力机运转原理及效率WindEnergySystemDefinitionRotor效率发电机轻重载传动链

电能

p=

3.485

P=101.3kPa,T=15°C,通过传动机构将机械ρg/电m机3

，实现由机械能向电能的转Windturbine发电机效率逆变器效率产生规范如IEC

、GL等电力转换器电网Rotor机械能安全问题环境问题齿轮箱GB直驱Site

风能

Generator

G

症结•与风力机输出相关的有风向、叶轮效率、机械效率、发电机效率

、逆变器效率等，而影响效率的有风向、转速及使用容量百分比(%)，其中转速的控制影响叶轮效率是主要因素•

效率的提升代表能量的增加，此时须注意容量及能否稳定的运转•注意发电机的空载及有载电压、抽载大小会影响发电机电压

、

•配线长度会影响电力转换器的电压设定•电力转换器一般用电压vs功率，基于前述最好改用转速vs

电流设定•

发电机需有足够容量方能有效控制风力机运转•

泄荷开关电压突波影响IGBT•

输出功率随空气密度的变化而改变，而空气密度则受环境温度及压力影响•尾翼的长短与面积的大小可作为风力机最后的安全屏障•架设场地及发电量评估Vwα

Vr

Attack

angleVwPitch

angle

βVw因旋转所产生之相对风速Vu=r

ω转速及Twistangle的作用*

不同Class的叶片因参考数据不同(r

、V等)不可混用VuTwistangleϕ叶根旋转中心α

Vr

Attack

angleλ=rω/Vw

=Vu/Vw

VrαAttackangle

βLineLineLineVuVu叶轮设计风速10m/s叶轮效率设定0.483叶轮直径D计算125.6m叶轮设计(额定)转速nr12.2rpm第一振频ω

1(塔架最小刚性依据)16.19rpm切入转速nin5.66rpm叶轮最小承载扭力>3925509Nm发电机、逆变器在nr

电压电流等逆变器可控ClassI切入风速Vin3m/s年平均风速

Vave10m/s额定风速

Vr15m/s切出风速Vout25m/s额定功率

Pr5MW系统参数设定、规格计算及叶片设计

5MW参数的设定叶片Cp-λ-θ图的计算叶片的设计系统理论的发展与软件的开发各种转速的规划与计算规

格的

计

算运转控制及变桨角度功率及效率曲线的规划PrnrninWind

SpeedVout

VsurACpsysVaveVinVrMPPT不可行V[m/s]V[m/s]00

5

10

15

20

V[m/s]P[W]系统理论的发展与软件的开发

MPPT问题24.0n[rpm]

20.016.012.08.04.00.025Cp在变奖及逆变器不可控的情况下，一般采额定风速额定转速6000000P[W]50000004000000300000020000001000000n[rpm]CpClassIIIIII额定功率Pr30MW16MW5MW500kW30kW5kW切入风速Vin3.5m/s3.5m/s3.5m/s3.5m/s3.5m/s3.5m/s年平均风速

Vave10m/s10m/s10m/s10m/s10m/s10m/s额定风速

Vr11m/s11m/s11m/s11m/s11m/s11m/s切出风速Vout25m/s25m/s25m/s25m/s20m/s15m/s叶轮设计风速10m/s10m/s10m/s10m/s10m/s10m/s叶轮设计功率23.7MW12.6MW3.95MW480kW28.8kW4.8kW叶轮效率设定0.4930.4930.4930.4830.4830.483叶轮直径D计算331m241.7m135.1m48.9m11.97m4.89m叶轮额定转速nr6.06rpm8.30rpm14.8rpm31.3rpm127rpm313rpm第一振频ω

1(塔架最小刚性依据)8.06rpm11.04rpm11.04rpm41.6rpm170rpm416rpm切入转速nin2.82rpm3.86rpm3.86rpm14.6rpm59rpm146rpm修正额定转速nr86.5rpm214rpm系统理论的发展与软件的开发为何定槳小风力机的效率值Cp<0.35？系统参数设定、规格计算及叶片设计

参数的设定

规格的计算转速的计算与规划转速修正ACpsys

CpsysnrninWind

SpeedVin

VaveVr

Vout

Vsur功率及效率曲线的规划Pr在定桨及逆变器不可控

：先用Pr及Vr计算出CpB，移动转速让λ

落在安装角度的曲线上，λ=rω/V↓Cp

↓这也是为何小型风力机Cp<0.35之故正常断裂在离叶根1/3处；额定以后叶尖速度>80m/s

；如Bladed的最大载荷在静止状态则为3秒Ve50

；而此时ClassI的Ve50

=70m/s<80m/s

叶片堪忧早期近来风力机叶片受损情况功率曲线不同发电机效率系统理论的发展与软件的开发逆变器效率Cp-λ-θ被动pitch翼面旋转主动变桨及转向滑环系统并网架构摆尾机制电阻剎车/泄荷电阻抽载控制/转速控制小风力机的组件与控制电力电子抽载偏航机制失速控制L5.83m6.55m6.843m7.5mD6.23m7m7.24m7.9m叶片面积A3.67m23.21m24.02m22.79m23ΔA[%]*194.9%45.5%132.3%F(70m/s)16530N14460N18097N12558N推力差3F*111916N5706N16617N0N扭力中心距变桨轴中中短远短转向系统驱动力及致动力约需增加95%转向系统驱动力及致动力约需增加132%叶片形状(非翼型)的选择(矩形与三

角形叶片之比较)推力大、转向扭力也大尾

舵转

向

控

制A'

=0

16A

eA

′尾舵面积、A风轮扫掠面积1.8m尾翼

2.2m尾翼距旋转中心2.6m偏航原理为有尾翼之风力机为Upwind，无尾翼之风力机则为Downwind，调整尾翼面积A

,及尾杆长度l

可让风力机在某一风速(15m/s)下偏航保护推力大、转向扭力也大

尾杆更长、尾翼面积更大偏

航

保

护

机制尾翼高抖动尾杆太短不稳，中风速即偏航调距尾翼偏航影片.

lVestas

V126-3.45

MW

guyedtowerat

ØsterildVestas曾做过柔塔实验,

但无疾而终因塔架摇晃大，一般会拉钢缆降低摇晃程度；

须注意钢缆螺栓及法兰螺栓的疲劳问题；运转2年后螺栓断裂。此法可降低振幅但无法改变振频小kW数风力机因加减速快较易跳过共振频率且摇晃幅度小可使用柔塔，但还是要加缆绳以策安全

,

另因摇晃幅度小对疲劳影响也小影片推力大、转向扭力也大尾杆更长、尾翼面积更大塔架强壮、基座厚实成本上升柔塔的问题four

1990’s

eraV29-225kilowatt改善转速rpm设计值50mm输出功率65mm输出功率100m

m输出功率000002002063827102914793003095134416572323360371416562036283440041271865228931745005159238929214024600619029143556487470072223439419257268008254396548276575发电机360rpm下空载线电压rms值室温下的绕组电阻

值(相电阻)加载温升后绕组电阻值

(相电阻)加载转速

(rpm)加载电流(A)加载温升(度)加载功率

(kW)100mm232.8V0.58850.69094499.17644.63.5665mm229V1.0051.39681.29.2492.593.6150mm221.1V1.351.9249468.257104.92.88发电机电阻加载测试以原动机带动积长为100mm

、65mm及50mm的发电机，并使用电阻对发电机加载，加载电阻为14.

1奥姆。注意电力转换器抽载设定转速

功率(IV)转速

电流电压功率电压

电流因电压受配线长度、轻重载等影响小型风力机电气控制受配线长度之影响小型风力机的Inverter很多都是用电压vs

功率的控制，但风力机之能量来源为叶轮，所

以最好用转速vs

电流控制，因电压vs功率控制会受配线长短的压降影响，所

以最好根据配线长度重新量测或计算IP

n,V

Inverter原始设定：n,V,P,

II

R1

Pn,V

1

Inverter

11配线压降V配线电阻RV1=I*R1

V=V1+V2

V2=V-V1V2V转速65mm设定100mm设定00.06030953705100515507405015077220011102002001030600147960025013431000190110003001657150023231800350197320002749250036020362080283526004002289240031743000450260528003599320050029223100402532006003557320048753200700419257278004827657620131107修改后修改前20131107实测风力机容量问题：发电机+

电力转换器蓝色字

、绿色字量测值

2kW风力机(65mm改配100mm发电修改前用65mm积长发电机没能控制转速会飙到430rpm以上，即多余的能量转化成旋转动能。修改后用100mm积长发电机能将转速控制在375rpm以下。转速控制住后可让TSRλ=rω/V随风速增加而变小效率变差发电机容量够，能让风力机照设定的功率曲线跑且能有效的控制住转速，否则风力机会随风速的增加而飙速。Control：轻重载Protection：泄荷、偏航Emergency

Shut

Down：发电机三相短路机)泄荷机制中之IGBT短路问题IGBT功能：小型风力机会利用IGBT做为导通泄荷电组的开关如图IGBT现象：IGBT在运转一段时间后变成短路，导致泄荷电阻一直在作用

,

风力机明显减速运行尝试

：1.

怀疑是过热造成IGBT受损，采用电风扇及散热片散热，但仍持续发生，且IGBT没有发烫的迹象，故应不是过热；2.IGBT短路几乎都出现在泄荷电阻打开的瞬间而非在高风速区，且不一定每次都会发生；3.从论文中查到过热会造成IGBT断路，而电压凸波则会造成IGBT短路，从600V的IGBT更换到1600V仍发生；4.

发电机内定转子缠绕有漆包线，此架构类似电感，其感应电动势为-L*di/dt

，发电机的电流输出为正弦波，在最高点及最低点处

di/dt为无穷大，其他处则为有限值；5.在连接发电机的实际测试中确曾出现电压凸波但变化不大，此与风力机实际运转时类似，只有在巧合时才会出现IGBT短路的现象解决办法：1.

改用IGBT触发电磁阀后便没再发生；2.

另在有PLC控制的风力机则让IGBT减缓开启时间也解决了影响风力机的输出中，唯一无法预先知道的是空气密度的影响，其解决方法：1.在同一功率曲线下，由方程式根据空气密度反推出系统Cp再据而算出叶轮Cp，并根据设定的λ找到对应的

pitch角2.找出根据不同空气密度设定之功率曲线，并据此作调变

。密度及变桨搭配内蒙古大气压kPa温度[℃]空气密度[kg/m3]夏天100301.150冬天104-151.405空气密度变化引起的效果(V80)p

标准大气压P=101.3kPa,T=273K空气密度对变桨的影响及调整基本分为逆变器可控与不可控两种：

逆变器可控：逆变器可随控制器的指令随时改变功率输出，此多用于大型风力机其转速与风速之关系是固定不变的，转速可借着改变变桨角度及输出功率的大小来达成

逆变器不可控：逆变器一经设定后无法再更改，此多发生于中小型风力机可变桨风力机可借助变桨角度的改变来达成(必须再参考风速及转速)；定桨风力机只能借助泄荷、摆尾、偏航、三相短路等保护机制让风力机减速或停止运转IIIIIIVPitch风向偏差Acosα叶轮CpR**叶轮CpR风向偏差Acosα

*机械效率ηmech机械效率ηmech**发电机效率ηge发电机效率ηge**逆变器效率ηinv逆变器效率ηinvIIIIIIIV*A=1m2水平轴(D=0.564m)垂直轴(1m*1m

、0.5m*2m)风速[m/s]风能[W]Cpsys=0.4Cpsys=0.3Cpsys=0.2Cpsys=0.110.613W0.25W0.18W0.12W0.06W24.900W1.96W1.47W0.98W0.49W316.537W6.62W4.96W3.31W1.65W439.200W15.68W11.76W7.84W3.92W4.

用滚珠轴承(降低启动扭力)

小型风力机微风启动/发电的方法P=0.5

ρV3

A

Cpsys

，

ρ=1.225kg/m32.

阻力型风力机(切线速度等于风速)

No3.

直接用桥整无控制器(省电但效率差)方法：1.

采用无铁芯的盘式发电机(无磁阻力)风洞测试效率会比实际场测高•风力机尺寸除非相对于风洞很小，否则须考虑风力机截面积A’在风洞中(A)的占

比，因风的流量是固定的，当截面积缩小时将导致风速升高(V’)及输出功率增加，甚至Cp会超过极限值0.593。•简单采V*A=(A-A’)*V’

校正风速后可得”修正后

Cp”•在风洞测试时因有风速V数据，只要抽载设定妥当

,

转速能控制在叶片设计的最高点(约0.46)，则发电量确实可达最大输出•实际风场测试时因无风速数据，且架设高度低

，受边界层及障碍物引起的扰流影响，风力机难控制在最佳转速，故发电量难达最大输出值，水平轴Cp约0.2-0.35，立轴则更低风速功率Cp修正后Cp100.0000.000200.0000.000300.0000.0004200.3760.2745610.5870.42761150.6410.46671800.6310.46082600.6110.44593500.5780.420104200.5050.368114900.4430.322125500.3830.279136160.3370.246146900.3030.220157500.2670.195168500.2500.182NO常只用Vave及P-V曲线计算有些差的则用365*24*Pr

小风机常只做发电量粗估，不作安全性评估发电量粗估发电量评估衰减量评估END执行费时又费钱发电量精算WindFarmYES精算发电量N