最大化风能捕获的基本原理

风能作用在风轮上，风能只有一部分可以被风轮吸收。风力机从风能中捕获的功率Pw可表示为

式中　Pw——风力机从风能中捕获的风功率；

ρ——空气密度；

A——风力机扫风面积；

v——风速；

Cp——风力机的风能利用系数。在桨距角一定的情况下，Cp是叶尖速比λ的函数，λ为

式中　ωw——风力机机械角速度；

Rtur——风轮半径；

v——风速。

在实际应用中常用风能利用系数Cp对叶尖速比λ的变化曲线表示该风轮的空气动力特性，如图7-4和图7-5所示。

图7-4　风轮气动特性（Cp-λ）曲线

图7-5　永磁同步发电机不同转速从短路状态到开路状态的全特性曲线

当桨距角一定时，风力机运行于最佳叶尖速比λopt时就可以获得最大风能利用系数Cpmax，此时风力机的转换效率最高，即

式中　ωopt——风力机的最优机械角速度；

λopt——最佳叶尖速比。

上式要求风轮机组的转速ω可以随风速v1成比例调节，以保持λ总在最优。(www.xing528.com)

在直驱式永磁同步风力发电系统中，风力发电机与风力机直接相连，风力发电机组的动态特性可以用一个简单的数学模型描述为

式中　Jtur——风力发电机组的转动惯量；

Ttur——风力机的气动转矩；

Tem——风力发电机电磁转矩。

风力机气动转矩Ttur为

其中

式中　ρ——空气密度；

β——桨距角；

CT——风力机转矩系数；

Cp——风能利用系数。

稳态时，当风力机运行在一个最佳叶尖速比λopt时，有一个最佳功率系数Cpopt与之对应，且转矩系数CT=Cpopt/λopt=CTopt也为常数，此时捕获的风能为最大，为

式中　S——风轮扫风面积。

稳态时，当忽略摩擦阻力转矩，发电机的电磁转矩应该与风力机气动转矩相等，即

式（7-7）是在稳态条件下推导出来的发电机电磁转矩与转速之间的关系，它可以作为用于控制电机转矩的给定值，是发电机转速的函数。即当风速在额定风速以下时，发电机的电磁转矩按照式（7-12）的关系控制，整个系统就能够实现最大风能的捕获，这就是额定风速以下最大风能捕获的基本原理。

因此，对于某一特定风速，风力发电机应在一个特定的转速下运行才能实现对风能的最大捕获。在一定风速下，风力发电机的功率曲线上有一最优转速和最大功率点，将不同风速下的最大功率点连接起来可得到最佳功率曲线。

实现最大风能跟踪的要求是在风速变化时及时调整风力发电机转速，使其始终保持最佳叶尖速比运行，从而保证系统运行于最佳功率曲线上。对风力机转速的控制可通过风力机变桨调节，也可通过控制发电机输出功率进行调节。