風(fēng)輪空氣動力學(xué)模型分析概述目錄風(fēng)輪空氣動力學(xué)模型分析概述 11.1貝茲理論 11.2風(fēng)輪數(shù)學(xué)模型 31.3風(fēng)輪模型仿真 51.1貝茲理論貝茲理論較為系統(tǒng)的闡述了風(fēng)輪運行原理，通過風(fēng)輪掃風(fēng)面的空氣流所攜帶的能量，僅有部分能量被風(fēng)輪吸收[7]。貝茲理論的風(fēng)輪為理想風(fēng)輪，主要考慮風(fēng)力機(jī)軸向的動量變化。假設(shè)：（1）風(fēng)輪的葉片無限多，將風(fēng)輪簡化為一個輪盤；（2）忽略輪盤上的摩擦力；（3）作用在輪盤上的推力均勻分布；（4）空氣流為連續(xù)、不可壓縮的均勻定常流；（5）風(fēng)輪前后無限遠(yuǎn)的氣流靜壓相等；（6）模型簡化為單元流管。圖1.4單元流管模型上圖為風(fēng)輪流動的單元流管模型，S為風(fēng)輪截面，v1為來流風(fēng)速，v為氣流經(jīng)過風(fēng)輪時的速度，v根據(jù)連續(xù)性條件 S1v F=m風(fēng)輪吸收功率 P=Fv=ρS單位時間內(nèi)氣流做功 E=1單位時間內(nèi)風(fēng)輪前后的氣流動能變化量 ΔE=由風(fēng)輪吸收功率與風(fēng)輪前后單位時間內(nèi)氣流動能變化量相等，可得： ρS從而得到 v=把式（2-22）代入式（2-20），可得： P=ΔE=將式（2-23）對進(jìn)行求導(dǎo)并等于零，可得：v代入式（2-23），可以得到功率的最大值：P式（2-25）除以氣流通過風(fēng)輪時的動能，即可得到理論最大的風(fēng)能利用系數(shù)C通過以上分析可知，即使是在理想空氣流的條件下，不考慮能量損失，風(fēng)輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)也僅有0.593。即理想條件下，通過風(fēng)輪的風(fēng)能最多只有59.3%能夠被風(fēng)輪吸收利用，此時風(fēng)輪后的氣流速度為風(fēng)輪前來流風(fēng)速的1/3。1.2風(fēng)輪數(shù)學(xué)模型單位時間內(nèi)通過風(fēng)輪掃掠面的空氣流的動能，即風(fēng)功率大小為：P式中：S為風(fēng)輪掃掠面積。流過風(fēng)輪的風(fēng)能不可能完全被風(fēng)輪吸收利用，加入風(fēng)能利用系數(shù)CPP為了對風(fēng)能利用系數(shù)CP分析，引入葉尖速比λλ=式中：v為來流風(fēng)速；Rt為風(fēng)輪半徑；ω葉尖速比為葉片尖端線速度與風(fēng)速的比值，是描述風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪特性的一個重要的無量綱量。對某一特定的風(fēng)力機(jī)，在某一葉尖速比值處，風(fēng)能利用系數(shù)Cp達(dá)到最大值Cpmax，此時，風(fēng)輪吸收利用的風(fēng)能最多，對應(yīng)的葉尖速比值稱為最佳葉尖速比圖1.5風(fēng)力機(jī)特性曲線風(fēng)能利用系數(shù)Cp是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，對于變槳距風(fēng)力機(jī)而言，Cp受到λ和圖1.6Cp與λ、β可見，在一定條件下，保持槳距角β為0度左右，風(fēng)能利用系數(shù)Cp最大，可以獲得最大風(fēng)能捕獲，此時葉尖速比λ的值在7~8左右。保持葉尖速比λ不變，隨著槳距角β在電力系統(tǒng)仿真中，Cp與λ、βC其中λi1式中，c0c1…c5，b1，b2均為常數(shù)。本文采用：c0=利用上式繪制的Cp(λ圖1.7Cp與λ、β風(fēng)力機(jī)實際得到的有功功率為：P式中：S為風(fēng)輪掃風(fēng)面積，當(dāng)風(fēng)輪角速度為ωtS=πv將式2-33和式2-34代入2-32中可得：P風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩為：T1.3風(fēng)輪模型仿真本文對額定功率為1.5MW的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模仿真，風(fēng)輪半徑為：R=式中：Pu為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定功率，3MW，ρ為空氣密度，取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下1.225kg/m3，Cp設(shè)定切入風(fēng)速為3m/s，切出風(fēng)速為25m/s，槳距角為0。風(fēng)力機(jī)仿真模型如圖1.8所示，模型輸入變量為風(fēng)速、槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，輸出量為風(fēng)能利用系數(shù)Cp圖1.8風(fēng)力機(jī)仿真模型設(shè)定仿真時間為30s，輸入風(fēng)速為階躍風(fēng)，前15s風(fēng)速為10m/s，后15s風(fēng)速為12m/s。輸入風(fēng)速大小如圖1.9所示。圖1.9輸入風(fēng)速曲線圖圖1.10葉尖速比變化曲線圖圖1.11風(fēng)能利用系數(shù)變化曲線圖圖1.12機(jī)械轉(zhuǎn)矩變化