液力调速风力机组的年发电量预测方法与流程

本发明涉及一种风力发电领域，具体涉及一种液力调速风力机组的年发电量预测方法。

背景技术：

风电机组是将变化的风能转变为电能的发电装置。由于风能的时变性与随机性，为提高风电机组的能量利用率，大功率兆瓦级风电机组大都采用变速运行的方式，风轮转速随着风速实时变化。而风力机发电频率却必须与电网频率保持一致，才能稳定运行。因此，变速运行风电机组都采用变速恒频控制方式，控制风轮转速随风速变化以提高风能利用率，利用其它的控制手段实现输出电能频率恒定。

目前，主流的变速恒频风力机传动方式主要有两种，齿轮传动或者直驱传动。齿轮传动方式是利用齿轮箱，将风轮的转速增大到发电机工作转速范围内，风轮的机械能通过齿轮箱传递到发电机。而直驱传动的方式是风轮直接与发电机相连，风轮的机械能直接传递到发电机。

齿轮传动的风力机通常采用双馈发电机或鼠笼式发电机，而直驱传动的风力机则使用永磁同步发电机。这两种变速恒频风电机组都需要使用变频器，将发电机的发电频率转变为电网频率。虽然采用变频器可以解决发电机频率与电网频率耦合的问题，但是由于电力电子器件的复杂性，增加了风电机的故障率，且使用大功率电子器件还会造成额外的功率损失，降低了风电机组的发电量。随着风电机组容量的不断增大，风电机组大功率电子器件的成本越来越昂贵。

液力调速风电机组作为一种新型的变速恒频风电机组，利用液力调速齿轮箱实现了风电机组的变速恒频。液力调速齿轮箱利用液力机械的方式传递能量，通过控制导叶可调式液力变矩器导叶开度调节输出转速，保持无刷励磁同步发电机发电频率恒定。液力调速风电机组省去了传统的变速恒频风电机组所需的功率电子器件，直接利用无刷励磁同步电机与电网耦合发电，避免了因使用功率电子器件可能造成的故障。由于液力变矩器属于流体传动，通过导叶可调式液力变矩器调节部分循环功率，不仅可以减少磨损，而且通过减轻传动系统的动态载荷，提高机组的可靠性。

由于传动结构复杂，液力调速风电机组性能预测变得极为困难，特别是其功率曲线的计算。风力发电机组功率曲线则是风力机重要的设计依据，是风电机组最关键的性能曲线。目前，已有技术能够计算齿轮传动或直驱传动风电机组特性参数，而对于新型的结构复杂的液力调速风电机组存在变量多、过程复杂、精度低等问题。

技术实现要素：

为了克服背景技术的不足，本发明提供一种液力调速风力机组的年发电量预测方法，在进行设计时能够预测其年发电量，了解功率曲线，为液力调速风电机组的设计提供依据，简化了设计流程，该计算方法具有简单、高效的优点。

本发明所采用的技术方案：一种液力调速风力机组的年发电量预测方法，包括液力调速风力机组，所述液力调速风力机组包括依次传动连接的风轮、主传动齿轮箱、液力调速齿轮箱、同步发电机；

所述液力调速风力机组的年发电量预测方法包括如下步骤：

一、建立风速的数学模型：根据风场的实际风速情况，得到相应的平均风速概率密度函数e(v)；

二、建立风轮的数学模型：根据风轮的具体结构，得到风轮输出转速nw以及风轮输出转矩tw；

三、建立主传动齿轮箱的数学模型，根据主传动齿轮箱的传动比，得到液力调速齿轮箱输入转速ni，以及液力调速齿轮箱输入转矩ti；

四、建立液力调速齿轮箱的数学模型，根据液力调速齿轮箱的传动性能，得到同步发电机输入转速ng，以及同步发电机输入转矩tg，并得到功率曲线p(v)；

五、计算液力调速风力机组的年发电量wtotal，

所述平均风速概率密度函数采用威布尔分布进行风速概率分布拟合，

威布尔分双参数函数：

威布尔函数双参数的平均风速为：

风速概率密度函数：

式中，k为形状因子，c为比例因子，v为风速，为平均风速，г(·)为gamma函数。

风轮输出转速与风轮叶尖比速、风速有关，其计算公式为

风轮的输出转矩与风轮的输出转速转速以及其捕获的风能有关，所述风轮捕获的风能为所述风轮输出转矩的计算公式为

上述各个公式中，λ为叶尖比速，v为风速；ρair为空气密度，r为风轮叶片半径，β为风轮叶片桨距角，cp(λ，β)为风能利用系数，风能系数与风轮叶片桨距角、叶尖速比有关，并存在以下关系：

液力调速齿轮箱输入转速为ni＝nw·i；

液力调速齿轮箱输入转矩为

上述公式中，i为主传动齿轮箱的传动比。

所述液力调速齿轮箱包括输入轴、第一行星排、第二行星排、导叶可调式液力变矩器、输出轴，所述第一行星排包括第一太阳轮、第一齿圈、第一行星架，所述第二行星排包括第二太阳轮、第二齿圈、第二行星架，所述导叶可调式液力变矩器包括泵轮、涡轮、可调导轮；

所述输入轴连接第一行星架，所述第一太阳轮连接泵轮，所述泵轮连接输出轴，所述第一齿圈连接第二齿圈，所述第二太阳轮连接涡轮；

同步发电机输入转速为

同步发电机输入转矩为

同步发电机输出功率为

上述公式中，α1为第一齿圈与第一太阳轮的齿数比，α2为第二齿圈与第二太阳轮的齿数比，nt为涡轮输出转速，nb为泵轮输出转速，tt为涡轮输出转矩，tb为泵轮输出转矩。

所述导叶可调式液力变矩器特性：

泵轮输出转矩为

涡轮输出转矩为tt＝k(itb，x)tb，

导叶可调式液力变矩器的转速比为

上述公式中，ρ为泵轮的工作油密度，λb(itb，x)为泵轮力矩系数，g为重力加速度，d为循环圆直径，k(itb，x)为导叶可调式液力变矩器的变矩比，x为可调导轮的开度，itb为导叶可调式液力变矩器的转速比。

本发明的有益效果是：年发电量是评估风电机组性能的重要参数，通过风速及其对应的分布函数与风电机组功率曲线可以计算得到，为液力调速风电机组的设计提供依据，简化了设计流程，该计算方法具有简单、高效的优点。

附图说明

图1为本发明实施例液力调速风力机组的结构示意图。

图2为不同平均风速时的威布尔概率分布。

图3为不同风轮叶片桨距角与风能利用系数曲线。

图4为风轮的功率输出曲线。

图5为不同开度下同步发电机的输入功率曲线。

图6为不同平均风速下同步发电机的输入功率曲线。

图7为同步发电机的输入功率曲线。

图8为液力调速风力机组输出功率特性曲线。

图9为液力调速风力机组年发电量计算曲线。

具体实施方式

如图1所示，一种液力调速风力机组，包括依次传动连接的风轮1、主传动齿轮箱2、液力调速齿轮箱3、同步发电机4。

所述液力调速齿轮箱3包括输入轴5、第一行星排6、第二行星排7、导叶可调式液力变矩器8、输出轴9，所述第一行星排6包括第一太阳轮61、第一齿圈62、第一行星架63，所述第二行星排7包括第二太阳轮71、第二齿圈72、第二行星架73，所述导叶可调式液力变矩器8包括泵轮、涡轮、可调导轮；所述输入轴5一端连接主传动齿轮箱2，另一端连接第一行星架63，所述第一太阳轮61连接泵轮，所述泵轮连接输出轴9，所示输出轴9连接同步发电机4，所述第一齿圈62连接第二齿圈72，所述第二太阳轮71连接涡轮。

上述结构的液力调速风力机组的年发电量预测方法包括如下步骤：

一、建立风速的数学模型：根据风场的实际风速情况，得到相应的平均风速概率密度函数e(v)。

风速的概率分布函数适合于描述一个地区的风资源分布情况，其描述了不同风速累计的小时数占全年总小时数的百分比，常用威布尔分布、瑞利分布和对数正态分布进行风速概率分布拟合，其中，威布尔分布其形式简单，能够较好的拟合实际风速的概率分布，因此采用威布尔分布进行风速概率分布拟合，

威布尔分双参数函数：

威布尔函数双参数的平均风速为：

风速概率密度函数：

式中，k为形状因子，c为比例因子，v为风速，为平均风速，г(·)为gamma函数。

当k＝2、c＝1时，不同平均风速时的威布尔分布如图2所示。

形状因子k决定了平均风速的变化范围，比例因子c决定了风频曲线的峰值大小，当k＝2时，风速的概率分布适用范围较广，因此优选k＝2进行平均风速估算，同时当k＝2时，有一个恒定的值为

二、建立风轮的数学模型：根据风轮的具体结构，得到风轮输出转速nw以及风轮输出转矩tw。

风轮输出转速与风轮叶尖比速、风速有关，

风轮输出转速为

风轮的输出转矩与风轮的输出转速转速以及其捕获的风能有关，

所述风轮捕获的风能为

所述风轮输出转矩为

上述各个公式中，λ为叶尖比速，v为风速；ρair为空气密度，r为风轮叶片半径，β为风轮叶片桨距角，cp(λ，β)为风能利用系数，风能利用系数与风轮叶片桨距角、叶尖速比有关，并存在以下关系：

叶尖比速、空气密度、风轮叶片半径、风轮叶片桨距角、风能利用系数均可通过实际情况测量获得，对测得实验数据进行数据拟合可以得到c1～c8的具体数字(数值)。

图3为不同风轮叶片桨距角与风能利用系数曲线，由图可知，每一个风轮叶片桨距角存在唯一的风能利用系数最大值，当风轮叶片桨距角β＝2°时，风能利用系数最大。

当β＝2°时，风轮的功率输出曲线也就是风轮捕获的风能如图4所示，每一个风速下，风轮的输出功率随着风轮输出转速的增大，先增大后减小，存在一个最佳的风轮输出转速使得风轮的输出功率最大。液力调速风力机组变速运行的目的便是提高风能的利用率，使得液力调速风力机组在各个风速下输出最大的电能。

三、建立主传动齿轮箱的数学模型，根据主传动齿轮箱的传动比，得到液力调速齿轮箱输入转速ni，以及液力调速齿轮箱输入转矩ti；

液力调速齿轮箱输入转速为ni＝nw·i；

液力调速齿轮箱输入转矩为

i为主传动齿轮箱的传动比。

四、建立液力调速齿轮箱的数学模型，根据液力调速齿轮箱的传动性能，得到同步发电机输入转速ng，以及同步发电机输入转矩tg，并得到功率曲线p(v)。

根据第一行星排与第二行星排的连接关系，可以得出满足轮系的转速关系：nt1+α1nq1-(1+α1)nj1＝0、nt2+α2nq2-(1+α2)nj2＝0、nq1＝nq2，

结合液力调速齿轮箱各部件的连接关系，可以得出各部分的转速关系：nt＝nt2，nb＝nt1，ni＝nj1；

能够得出同步发电机输入转速为

相应的，可调式液力变矩器的转速比为导叶可调式液力变矩器的转速比为

上述公式中，α1为第一齿圈与第一太阳轮的齿数比，α2为第二齿圈与第二太阳轮的齿数比，nt1为第一太阳轮转速，nt2为第二太阳轮转速，nq1为第一齿圈转速，nq2为第二齿圈转速，nj1为第一行星架转速，nj2为第二行星架转速。nt为涡轮输出转速，nb为泵轮输出转速，itb为导叶可调式液力变矩器的转速比。

在忽略传动部件的摩擦损失前提下，得到液力调速齿轮箱的转矩平衡关系：

同时结合液力调速装置中各个部件的连接关系，ti＝tj1，tq1＝tq2，tt2＝tt，tt1＝tb+tg，

得到同步发电机输入转矩为

上述公式中，tt1为第一太阳轮转矩，tt2为第二太阳轮转矩，tq1为第一齿圈转矩，tq2为第二齿圈转矩，tj1为第一行星架转矩，tj2为第二行星架转矩，tt为涡轮输出转矩，tb为泵轮输出转矩。

同步发电机输出功率

另外，根据导叶可调式液力变矩器特性，可得出以下公式，

泵轮输出转矩为

涡轮输出转矩为tt＝k(itb，x)tb，

上述公式中，ρ为泵轮的工作油密度，λb(itb，x)为泵轮力矩系数，g为重力加速度，d为循环圆直径，k(itb，x)为导叶可调式液力变矩器的变矩比，x为可调导轮的开度，itb为导叶可调式液力变矩器的转速比。

以α1＝2、α2＝5，r＝40、i＝20为例，x的值在0-1之间，当x＝0表示可调导轮全闭，当x＝1表示可调导轮全开，得出液力调速风电机组输出特性。

如图5所示，在等开度情况下，不同开度下的同步发电机的输入功率曲线，如图6所示，在等风速情况下，不同平均风速下同步发电机的输入功率曲线，如图7所示，将图5和图6相结合，得到同步发电机的输入功率曲线。

与常规的变速运行发电机组相似，液力调速风电机组同样分为三种典型工况：启动工况、欠功率工况和额定工况。

在欠功率工况和额定工况，需要液力调速齿轮箱对输入的风轮转速进行调节，使得发电机转速恒定。但是在两个工况下，导叶可调式液力变矩器的控制规律大相径庭，在欠功率工况，利用导叶可调式液力变矩器的自适应性，导叶开度基本保持恒定状态；而在额定工况阶段，需要根据转速的变化，调节导叶开度，以保持同步发电机恒转速运行。

根据液力调速风电机组运行规律，结合等开度、等风速下的液力调速风电机组输出特性，即可对液力调速风电机组的特性进行预测。图8为液力调速风电机组运行时，液力调速风力机组输出功率特性曲线，随着风速的增大，风轮的输出逐渐增大，液力调速风电机组转速同样增大，当达到额定转速时，风轮转速基本保持恒定。

五、计算液力调速风力机组的年发电量wtotal，

图9为液力调速风力机组年发电量计算曲线，将各个风速对应的单机年发电量相加，便获得各个风电机组的单机总理论发电量。实施例不应视为对发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。