3.1 风力机的基本理论

3.1.1 风力机的运行特性

风力机可分为变桨距和定桨距两种。变桨距风力机的特性通常由一簇风能利用系数CP的无因次性能曲线来表示。如图3-1所示。风能利用系数CP是叶尖速比λ的函数，同时也是桨叶节距角β的函数。从图中可以看出，当桨叶节距角逐渐增大时，该曲线将显著减小。

变桨距风力机是定桨距风力机的改进和发展，但定桨距风力机特性是变桨距风力机的基本情况，具有代表意义，是讨论最大风能追踪的依据。从上面的分析可知，在某一固定的风速v下，随着风力机转速的变化，CP的值会相应地变化，从而使风力机输出的机械功率 Ps变化，也就是说，转速变化，会导致风力机捕获风能的能力发生变化。根据图3-2，可以导出不同风速下风力机的输出功率和转速的关系，如图3-3所示。图中不同风速下风力机的功率一转速曲线组成了曲线簇，每条功率-转速曲线上最大功率点的连线称为风力机的最佳功率曲线（Popt曲线）。风力机运行在 Popt曲线上将会输出最大功率Pmax，其值为：

式中 ρ——空气密度，kg/m3；

S——风轮的扫风面积，m2；

R——风轮半径，m；

CP max——最大风能利用系数；

λopt——最佳叶尖速比。

从每平方米扫风面积可知，对于特定的风力机，其最佳功率曲线是确定的，最大功率和转速成三次方关系。定桨距风力机的特点可总结如下：

（1）在某一固定的转速下，风速v越大，风提供的输入功率越大，风力机输出的机械功率也越大。

（2）在某一固定的风速下，风力机在某一转速时可以输出最大的功率，转速较小或较大时风轮机输出功率都会降低，该点与图3-2中λ=λopt、CP=CP max点相对应，此时的转速称为最佳转速。

（3）风力机最佳转速是相对于某一确定的风速来说的，随着风速的增加，风力机最佳转速也增加。

3.1.2 风力机的最大风能捕获运行原理

风力机是整个风力发电系统能量转换的首要部件，它用来截获流动空气所具有的动能，并将风力机叶片迎风扫掠面积内的一部分空气的动能转换为有用的机械能，所以它不仅决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出，而且直接影响机组的安全稳定运行。

由风力机的空气动力学特性知，风力机的输入功率为：

式中 ρ=1.25kg/m3；

v——上游风速，m/s。

风力机的机械输出功率为：

式中 D——叶片的直径，m。

根据贝茨理论，CP 的最大值为0.593。一般的水平轴风力机，CP 为0.2～0.5，本书取CP max=0.48，这样根据初始风速，可以求出对应的最佳电机转速为：

式中 R=2.15m；

λopt——最佳叶尖速比，取λopt=9；

N——齿轮箱增速比，取N=6.254。

对应最大风力机输出功率理论值为：

本风力发电机组的运行区域如图3-4所示。

当达到启动风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切入的转速后，风力发电机组开始作发电运行，通过对发电机的转速进行控制，CP不断上升，直至CP=CP max，进入CP 恒定区，这时机组在最佳状态下运行。这段区域主要是调节发电机组机械转矩（有功功率给定值），使转速随着风速而变化，使λ=λopt，实现最大风能捕获。