新型风力发电机组装置的发电特性研究

杨鹏，王亮，张勇，童佳乐，王雷

(1.安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南，232001；2.安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南，232001)

随着我国能源消费结构的改变以及对环境保护的重视，煤炭资源的使用比重正逐步下降，可再生能源的使用率连年上升。据统计，煤炭、石油等不可再生资源从1978年的96.9%下降至2019年的81.6%，可再生能源已从1978年的3.1%上升至2019年的18.4%。可再生能源主要包括太阳能、风能、潮汐能、水能、地热能以及生物质能。“十三五”后期，我国风电累计装机容量达到200 GW，华北、东北、西北以及江苏、山东沿海地区将建成9个1000万千瓦级的风电基地[1]。风力发电作为清洁可再生能源备受关注，其发展前景也十分广阔。目前，传统的风力发电设备主要依靠风力带动风叶旋转，将机械能转换为电能，发电效率较低，发电量较少，因此，提高其发电效率和发电量具有重要的经济价值。

传统的风力发电机主要由4个模块组成[2-3]，即发电机、传动链、虚拟调速器以及转子电阻。现阶段，我国风力电机的有功功率较低，未能将可再生能源高效转化，存在能源浪费现象，为此，国内外学者在提高设备效率方面进行了大量研究。目前，主要研究在于尽可能获得最大捕获风能[4-6]和高风速时控制风能吸收[7-8]，并在这些方面均取得了一些成果，但是在风力发电机组装置的结构改进方面研究较少，很少利用其结构进行二次发电。

本文针对传统风力发电机组的结构进行改进，提出1种可提高风力发电功率的新型风力发电机组，即在(铜性材质)风叶叶片后端加装永磁装置，利用电磁感应原理，在风叶旋转过程中，将其切割磁感线所产生的电流并入主发电电路中，提高设备的发电功率。本文先对传统风力发电机组的发电功率进行理论分析，接着对新型风力发电机组的铜质叶片磁场特性进行仿真分析，最后,对比2种风力发电机组在不同风速下的发电功率。

1 传统风力发电机组理论分析

风力发电机工作原理是借助风力带动风车叶片旋转，再通过增速器提升转速来促使发电机运行发电。图1所示为风力发电原理系统示意图，风驱动叶片旋转，经过增速器后作用于发电机上，进而产生电能，发电机所产生的电能通过晶闸管和主继电器对电流实现滤波，将输出功率传递到控制系统中，控制系统的电能再反馈到叶片的转速控制上，实现对叶片转速的控制。

图1 风力发电原理系统示意图Fig.1 Schematic diagram of wind power generation system

风力发电机所需要的能源主要来源于风中存储的动能，其功率值为

(1)

式中：ρ为空气的密度，kg/m3；A为过流面积，m2；v为空气的流速，m/s。

根据贝兹理论，风力发电机所能利用的最大功率为

(2)

式中：Cp(λ,β)为风能利用系数，按照贝兹极限最大值为0.593。

(3)

其中,

(4)

为了获取风能利用系数Cp(λ,β)常需要引入叶尖速比λ和节距角β，该值表达式为

(5)

式中：r为叶片的半径，m；ω为叶片的角速度，rad/s。

其中，风力发电机的风能利用系数Cp(λ,β)与叶尖速比λ的对应关系可参考文献[9]。

2 新型风力发电机组

传统风力发电机组仅能利用风中存储的能量产生电能，发电效率不高。为了适应新形势下清洁能源的高效开发利用，本文对传统风力发电机组的结构进行改进，并对其发电功率和发电效率进行计算，同时分析新结构在不同风速下所能产生的磁场强度。

2.1 新型风力发电机组工作原理及结构

综合分析传统风力发电机组的结构特性，在其叶片后端增设永磁体装置，并将原风叶材料替换成铜质材料，利用铜质材料在切割磁感线时能产生电涡流现象，实现二次生电。新型风力发电机组结构见图2。

1—整流罩；2—旋转轴；3—永磁体；4—叶轮毂；5—铜叶片；6—永磁体盘图2 新型风力发电机组结构图Fig.2 Geometry diagram of a new wind turbine

新型风力发电机工作原理：通过风能带动叶片旋转，将叶片旋转所得的机械能通过增速器传递到发电机中，转换为电能，再通过晶闸管等滤波装置，对产生的电流进行滤波，最后,通过控制系统传递到主网中；旋转的叶片与后端固定的永磁体装置间存在相对运动，发生切割磁感线现象进而产生电流，将产生的电流通过导线传输，并对其进行滤波、并网处理，最终与原生电能汇合进行传输。

2.2 新型风力发电机组的数学模型

新型风力发电机与传统风力发电机所产生的电能主要区别在于：因前者存在磁生电环节而产生更多的电能，采用磁路法对该环节的磁感应现象进行分析。根据图2所示结构，该磁路包括主磁路、气隙磁路、磁极磁路以及漏磁路。1对N,S极形成1个闭合回路，相邻2个永磁体可构成1个大小相等、方向相反的磁动势，其简化磁路图见图3。

图3 磁路简化示意图Fig.3 Diagram of simplified magnetic circuit

基本假设：1)当永磁体与铜叶片间的气隙很小时，忽略永磁体的漏磁；2)永磁体所产生的磁场在气隙中均匀分布；3)永磁体发出的磁力线切割铜叶片的有效面积为铜叶片每极的计算面积；4)不考虑磁路饱和[8]。

φ=BAmcosωt

(6)

式中：ω为叶片的旋转角速度，rad/s；Am为永磁体表面有效面积，m2；t为变化时间，s；B为气隙内的磁感应强度；T为永磁体磁场和感应磁场耦合的矢量和。故感应电动势为

(7)

由文献[10]所知，气隙内磁感应强度为

(8)

式中：HCh为磁动势；HC为永磁体矫顽力，A/m；h为极化反向长度，m；ke为折算系数，一般取1.2～2.5；ie为感应电流有效值，A；R为磁场中总磁阻，H。

忽略其漏磁磁阻，则

(9)

式中：R1为铜叶片的磁阻，H；R2为永磁体磁阻，H；R3为气隙磁阻，H；hcu为铜叶片的厚度，m；hm为永磁体厚度，m；δ为气隙厚度，m；μ0为磁导率，H/m。

参考文献[10]电流为

(10)

永磁体对铜质叶片所产生的瞬时功率为

(11)

据此，可计算出永磁体对铜质叶片所产生的有效功率为

(12)

式中：T=π/ω。

3 两种风力发电机组比较

3.1 模型参数及传统风力发电机组发电功率分析

为了便于对传统风力发电机组与新型风力发电机组进行比较，进行如下假设：1)所提供的风能恒定；2)系统的控制部分可以控制风叶的旋转为恒定的转速；3)忽略电磁场的漏磁作用；4)空气密度不随风速的变化而变化；5)忽略铜叶片的厚度不均匀和宽度不均匀的影响。

为了方便计算，将风力发电机组装置简化处理，即对该装置采用相似模拟等比例缩小处理，其模型基本参数见表1。

表1 模型基本参数Table 1 Model specifications

根据上述分析，并结合模型基本参数对传统风力发电机在不同风速下的发电功率按式(2)进行计算，其发电功率与风速的关系见图4。

图4 传统风力发电机发电功率与风速关系图Fig.4 Trace of relationship between power and wind speed of traditional wind turbine

3.2 新型风力发电机组发电功率分析

3.2.1 磁场强度分析

新型风力发电机组与传统风力发电机组最大的区别在于前者利用铜质风叶的旋转可产生二次发电，为了方便计算二次发电的发电功率，需要对永磁体作用在铜叶片上所产生的磁感应强度进行分析。

为了清晰的看出永磁体对铜叶片的作用，采用Maxwell软件分析该模型中永磁体所产生的磁场强度。首先，对铜叶片与磁铁块部分的模型进行简化，通过SolidWorks软件建立简化模型，保存为.igs格式。再将其导入Maxwell软件中，选择瞬态分析，按照要求设置材料属性，对于磁铁块来说，因其呈间隔形式排布，故充磁方式按照1和-1的数值设置。之后对模型设置边界条件，设置band域，依次设置相应的转速差，划分网格。最后，建立analysis setup，对模型进行磁场分析。

根据Maxwell软件求解出的铜叶片磁感应强度呈不均匀变化，当叶片始终处于旋转状态时，磁感应强度呈周期性变化，为了对新型风力发电机组的二次发电功率进行计算，需要对磁感应强度进行量化处理。取最大磁感应强度的有效值，参考文献[11]中的风速与转速关系以及Maxwell分析转速与磁感应强度的关系，仿真结果见表2。新型风力发电机在不同风速下最大磁感应强度变化曲线见图5。图6所示为其在不同风速下铜叶片的磁场云图。

表2 磁感应强度与风速的关系Table 2 Table of relationship between magnetic induction intensity and wind speed

分析图6(a)～(e)可知：随着风速的增加，所能产生的最大磁场强度随之下降，且最大磁场强度总是处于叶片的边缘处。由公式(8)可知，感应电流与磁感应强度成正比，故在风速增大的情况下，铜叶片切割所产生的感应电流亦会减小。由图5可知，在风速从4 m/s上升至7 m/s的过程中，最大磁感应强度下降的程度较为剧烈，但在后续风速持续增加的情况下，下降的速度有所减缓，从整个变化过程中可以看出磁感应强度会随着风速的增加而持续降低。

图5 不同风速下最大磁感应强度变化曲线Fig.5 Trace curve of maximum magnetic induction intensity under different wind speeds

图6 不同转速下的铜叶片磁场云图Fig.6 Magnetic field contours of copper blades at different speeds

3.2.2 两种风力发电机比较分析

根据所得磁感应强度以及式(12)可计算出新型风力发电机的功率，分别在不同速度下对2种风力发电机的发电功率进行计算，相应的功率见图7。

图7 不同风速下两种风力发电机发电功率比较Fig.7 Comparison of power generation power of two wind turbines at different wind speeds

从图7可以看出，2种风力发电机的发电功率都会随着风速的增加而明显上升，两者发电功率上升的速率十分相似。其主要原因在于新型风力发电机是在传统风力发电机的基础上进行改进，并未改动传统风力发电机的核心部件，且新型发电机存在二次发电现象，故在不同风速下，其发电功率始终高于传统发电功率。

4 结论

1)改进后的风力发电机组由于其可发生二次生电现象，故提高了该新型装置的发电功率，同时，改进前后的风力发电机的发电功率都会随着风速的增加而增加，风速是影响发电功率的关键因素。

2)新型风力发电机在气隙一定的情况下，随着风速的增大，铜叶片的磁感应强度越来越小，但发电功率随之增加。新型风力发电机在风速为5 m/s时，发电功率为0.020 4 W；在风速为12.5 m/s时，发电功率为0.237 1 W。然而，传统的风力发电机在风速为5 m/s时，其发电功率为0.014 W；在风速为12.5 m/s时，发电功率为0.218 7 W。

3)新型风力发电机通过增设永磁体结构提高了单机的发电功率，通过结构的改进为后续风力发电机组的优化提供了方向。