风力发电机组风轮直径的确定方法

摘要

本发明是有关于一种风力发电机组风轮直径的确定方法，包括以下步骤：以相同外部风资源条件下的已知风力发电机组作为参照机组；计算待设计机组的风轮直径，计算公式为DB1＝DA·(PEB/PEA)1/2·（ηA/ηB）1/2·(CPA/CPB)1/2；通过迭代计算，对待设计机组风轮直径进一步修正，公式为DB2-n=DA·(PEB/PEA)1/2·（ηA/ηB）1/2·(CPA/CPB)1/2·((2M+DA/(2M+DB2-（n-1)))1.5α。本发明可以1.5MW风力发电机组的风轮直径尺寸为基础，来确定其它风力发电机组的风轮直径尺寸，从而为机组设计提供重要依据。

权利要求

1.一种风力发电机组风轮直径的确定方法，其特征在于包括以下步骤：A.以相同外部风资源条件下的已知风力发电机组作为参照机组；

B.计算待设计机组的风轮直径，计算公式为

1/2 1/2 1/2

DB1=DA·(PEB/PEA) ·（ηA/ηB） ·(CPA/CPB) ，其中，DB1为计算得到的待设计机组的风轮直径，DA为参照机组的风轮直径，PEB为待设计机组的发电功率，PEA为参照机组的发电功率，ηA为参照机组从气动输出功率到发电上网的总效率，ηB为待设计机组从气动输出功率到发电上网的总效率，CPA为参照机组的叶片气动效率，CPB为待设计机组的叶片气动效率；

C.通过迭代计算，对步骤B得到的待设计机组风轮直径进一步修正，公式为

1/2 1/2 1/2 1.5α

DB2-n=DA·(PEB/PEA) ·（ηA/ηB） ·(CPA/CPB) ·((2M+DA)/(2M+DB2-（n-1）)) ，其中，n为迭代次数，DB2为进一步修正后的风轮直径，DB2-（n-1）为上次迭代的风轮直径值，DB2-0=DB1，M为风轮最低点与地面的距离，α为风切变指数。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组风轮直径的确定方法，其特征在于所述的迭代次数随待设计机组的发电功率的增大而增大。

说明书

风力发电机组风轮直径的确定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风力发电机组风轮直径的确定方法。

背景技术

[0002] 对于风力发电机组设计者来说，确定风力发电机组的风轮直径是概念设计阶段非常核心的问题，一旦风轮直径设计选择失误，与市场需求偏差较大，则整个的设计工作都可能要推倒重来，因此如何正确选择和确定所设计的风力发电机组的风轮尺寸，或给出一个准确的尺寸范围，是一个非常重要和亟待解决的问题。

[0003] 目前，国内主流机型为1.5MW风力发电机组，在国内外各类风资源环境中的应用非常普遍，对应各类风资源的风轮直径已经逐步趋于成熟化和系列化，但是2MW、2.5MW、3MW、5MW、6MW等机型开发时的风轮直径的选择一直是困扰设计师的一个问题，目前一些公司是根据国外厂家或其它公司的的叶片尺寸来直接应用，而由于不同叶片设计者设计叶片的参数、翼型等的不同，这种简单参照同类叶片的做法有较大的风险。

[0004] 因此，鉴于1.5MW的风力发电机组可以基本涵盖我国各地的风资源条件的，如何以1.5MW风力发电机组的风轮直径尺寸为基础，来确定其它风力发电机组的风轮直径尺寸，成为本领域针对风机直径尺寸选择方法的一个研究方向。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种风力发电机组风轮直径的确定方法，使其以1.5MW风力发电机组的风轮直径尺寸为基础，来确定其它风力发电机组的风轮直径尺寸，从而克服现有的风力发电机组风轮直径的确定方法的不足。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明一种风力发电机组风轮直径的确定方法，包括以下步骤：

[0007] A.以相同外部风资源条件下的已知风力发电机组作为参照机组；

[0008] B.计算待设计机组的风轮直径，计算公式为

[0009] DB1=DA·(PEB/PEA)1/2·（ηA/ηB）1/2·(CPA/CPB)1/2，

[0010] 其中，DB1为计算得到的待设计机组的风轮直径，DA为参照机组的风轮直径，PEB为待设计机组的发电功率，PEA为参照机组的发电功率，ηA为参照机组从气动输出功率到发电上网的总效率，ηB为待设计机组从气动输出功率到发电上网的总效率，CPA为参照机组的叶片气动效率，CPB为待设计机组的叶片气动效率；

[0011] C.通过迭代计算，对步骤B得到的待设计机组风轮直径进一步修正，公式为

[0012] DB2-=DA·(PEB/PEA)1/2·（ηA/ηB）1/2·(CPA/CPB)1/2·((2M+DA)/(2M+DB2-（n-1）))1.5α，[0013] 其中，n为迭代次数，DB2-n为进一步修正后的风轮直径，DB2-（n-1)为上次迭代的风轮直径值，DB2-0=DB1，M为风轮最低点与地面的距离，α为风切变指数。

[0014] 作为本发明的一种改进，所述的迭代次数随待设计机组的发电功率的增大而增大。

[0015] 采用这样的设计后，本发明以1.5MW风力发电机组的风轮直径尺寸为基础，来确定其它风力发电机组的风轮直径尺寸，从而可正确选择和确定出适应我国各地的风资源条件的风力发电机组的风轮尺寸，为机组设计提供重要依据。

具体实施方式

[0016] 本发明风力发电机组风轮直径的确定方法，是以相同外部风资源条件下已知的模版风力发电机组作为参照机组（即机组A），来计算待设计机组（即机组B）的风轮直径DB。

[0017] 风力发电机组的气动功率是由以下公式给出：

[0018] P=1/2·π·ρ·(D/2)2·V3·Cp (1)

[0019] 则有：

[0020] PA＝1/2·π·ρ·(DA/2)2·VA3·CPa (2)

[0021] PB=1/2·π·ρ·(DB/2)2·VB3·CPb (3)

[0022] PA/PB＝(1/2·π·ρ·(DA/2)2·VA3·CPa)/(1/2·π·ρ·(DB/2)2·VB3·CPb)

[0023] =(DA2·VA3·CPa)/(DB2·VB3·CPb) (4)

[0024] 由于机组A和B的风机所处的外部风资源条件相同，则有VB＝VA，那么：

[0025] PA/PB=(DA2·CPA)/(DB2·CPB) （5）

[0026] DA2/DB2=(PA·CPB)/(PB·CPA) （6）

[0027] DB=DA·(PB/PA)1/2·(CPA/CPB)1/2 （7）

[0028] 其中，DB为待设计机组的风轮直径，DA为参照机组的风轮直径，PB为待设计机组的气动功率，PA为参照机组的气动功率，CPA为参照机组的叶片气动效率，CPB为待设计机组的叶片气动效率。

[0029] 如果对于同一设计者的产品，往往不同风轮直径的叶片气动效率也是基本一致的，即CPA=CPB，则等式（7）变为

[0030] DB=DA·（PB/PA）1/2 （8）

[0031] 但是，在实际设计中，不同功率等级的风机往往其轮毂中心位置和传动链的传动效率都不同，它们对风轮直径尺寸产生影响，因此，上述公式并不能直接得到可靠的结果，还需要对它们进行修正。

[0032] 首先，从不同风机的传递效率进行风轮直径的修正

[0033] 式（1）和式（2）的功率PA和PB，实际只是风力发电机组的气动功率，我们通常所说的风力发电机组的功率是指风力发电机组的上网功率，即发电功率，定为PE，气动功率和电功率的关系为：

[0034] PE=P·η （9）

[0035] 则P=PE/η （10）

[0036] η是风机从气动输出功率到发电上网的总得效率，在正常运行工况下，对于非直驱机组：η=ηm·ηe·ηc

[0037] 对于直驱机组：η=ηe·ηc

[0038] ηm为齿轮箱效率，ηe为发电机效率，ηc为变频器效率，在机组概念设计阶段，这些部件的效率是可以得到的，因此，对于风力发电机组A和B来说，ηA和ηB是可以得到的，由式（10）可知：

[0039] PA/PB=(PEA/ηA)/(PEB/ηB)=(PEA/PEB)·(ηB/ηA) （11）

[0040] 设经过传输效率修正后的风轮直径为DB1，则由式（11）代入等式（7），得出：

[0041] DB1=DA·(PEB/PEA)1/2·（ηA/ηB）1/2·(CPA/CPB)1/2 （12）

[0042] 其中，PEB为待设计机组的发电功率，PEA为参照机组的发电功率，ηA为参照机组从气动输出功率到发电上网的总效率，ηB为待设计机组从气动输出功率到发电上网的总效率。

[0043] 之后，从风机轮毂高度导致的偏差对叶轮直径尺寸进行进一步修正。

[0044] 在上述的推导中，我们假设机组A和B的风机轮毂中心高度是相同的，但是在实际中，不同风轮直径的轮毂高度基本是不一致的，必然受风切变的影响，因此需要对风轮直径DB1进行修正。平均风速的风切变可以用赫尔曼的指数公式来表达：即：

[0045] V(Z1)/V(Z2)=(Z1/Z 2)α （13）

[0046] 式中，V(Z1)和V(Z2)分别为高度Z1和Z2处的风速，α为风切变指数，一般条件下，指数α取0.14。

[0047] 由此可见，由于不同轮毂高度的平均风速不一致，对风机的功率有影响，一般讲，风机风轮直径越大，轮毂的中心位置越高。

[0048] 假设机组B的风机从机组A的风机轮毂点Z1(对应风速为VA,风轮直径为DB1),升高的设计高度Z2,(对应风速为VB,风轮直径为DB2),要求保持功率不变，则由等式（2）和（3），得出：

[0049] (DB2/DB1)2=(VA/VB)3 （14）

[0050] 一般讲在陆地，风机叶轮最低点距离地面为一定距离，设定为M米。ZA＝M+DA/2，B机组的轮毂高度为ZB＝M+DB1/2，由等式（13），可以得出

[0051] VA/VB＝(ZA/ZB)α=((M+DA/2)/(M+DB1/2))α

[0052] =((2M+DA)/(2M+DB1))α （15）

[0053] 将式（15）代入式（14）则有：

[0054] (DB2/DB1)2=((2M+DA)/(2M+DB1))3α

[0055] 修正后的叶轮直径为：

[0056] DB2=DB1·((2M+DA)/(2M+DB1))1.5α （16）

[0057] 将式（12）代入式（16），则有：

[0058] DB2=DA·(PEB/PEA)1/2·（ηA/ηB）1/2·(CPA/CPB)1/2·((2M+DA)/(2M+DB1))1.5α（17）[0059] 最后，进行迭代计算，得出准确风轮直径尺寸

[0060] 在这里，DB1开始由（12）得出只是个初始值，然后需要对其进行迭代计算，即可得出较准确的叶轮直径。

[0061] 设由（12）计算得出初始值为DB1，令DB2-0=DB1，n为迭代次数并随待设计机组的发电功率的增大而增大，则,

[0062] 1次迭代为：

[0063] DB2-1=DA·(PEB/PEA)1/2·（ηA/ηB）1/2·(CPA/CPB)1/2·((2M+DA)/(2M+DB2-0))1.5α[0064] 2次迭代为：

[0065] DB2-2=DA·(PEB/PEA)1/2·（ηA/ηB）1/2·(CPA/CPB)1/2·((2M+DA)/(2M+DB2-1))1.5α[0066] n次迭代为：

[0067] DB2-n=DA·(PEB/PEA)1/2·（ηA/ηB）1/2·(CPA/CPB)1/2·((2M+DA)/(2M+DB2-（n-1）))1.5α（18）。

[0068] 以下列举具体应用举例来进一步说明本发明的实施过程及其计算结果。

[0069] 第一步：按照公式（12），以1.5MW风力发电机组的风轮尺寸为基础，即1.5MW风轮直径为DA，设CPA＝CPB，ηB=ηA，我们可以初步得出的2MW/2.5MW/2.5MW/3MW/3.6MW/5MW/6MW/12MW系列风力发电机组的风轮尺寸,见表1。

[0070] 表1：

[0071]

[0072] 第二步：设α=0.14，M=28m，根据公式（18）进行迭代修正计算，

[0073] 以风轮直径1为例，各次迭代修正见表2。

[0074] 表2：

[0075]迭代次数 DB2-0 DB2-1 DB2-2 DB2-3 DB2-4 DB2-5
2.0MW 80.8 79.5 79.7 79.6 79.6 79.6
5.0MW 127.8 125.0 125.4 125.3 125.3 125.3
12.0MW 198.0 188.0 189.5 189.3 189.3 189.3

[0076] 从表2中可以看出，在保留小数点一位的情况下，对上述发电功率的风力发电机组风轮直径经过5次迭代，即可达到0.1m的精度。因此按照5次迭代，对各风轮直径进行迭代修正计算，得出最终风轮直径数据见表3。

[0077] 表3：

[0078]