风力发电机组的功率调节介绍

风能是随机性很大、不稳定的能源，不同地区、不同时间风速和风向都不相同，而风力发电机组又必需输出恒频恒压交流电，并要求最充分的利用风能并维持安全运行，这就要求对风力发电机组的运行进行有效的控制。

风力发电机组的控制包括对风力机的控制和对发电机的控制两部分。不同风况（风速、风向）下，对风力机和发电机进行控制，能最充分的捕获风能提高风力发电效率，并确保风力发电机组的安全运行。风力驱动风力机的风轮（桨叶）旋转将风能变为机械动能，根据贝兹理论，风力机输出的机械功率P_m为

P_m=0.5ρπR²C_P（λβ）v³ （3-6A）

式中，ρ为空气密度，单位为kg/m³；R为风力机风轮半径，单位为m；C_P为风能利用系数；v为风速，单位为m/s；β为桨叶节距角；λ是风轮叶片的叶尖速比；πR²又称为风力机转子桨叶的掠过面积（m²）。风力机运行中输出的功率由风速v和风能利用系数C_P决定。

由于通过风轮旋转面的风能不能全部被风轮吸收利用，定义风能利用系数C_P来表征风力机效率。它是风轮叶片的叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数C_P（λ，β），其中，叶尖速比λ是风轮叶尖线速度（线速度等于角速度Ω_m与半径R的乘积）与风速v之比，即

式中，Ω_m为风力机旋转的机械角速度，单位为rad/s，它与发电机转子旋转的电角速度ω_N之间的关系为ω_m=ω_N/（kN_p），其中k为风力机和发电机之间齿轮箱变比，N_p为电机磁极对数，发电机的机械转速N（每分钟转数）为

N=kΩ_m/2π=kλv/2πR（3-6C）

风力机可分为变桨距和定桨距两种形式。

1.变桨距风力机

变桨距风力机可通过改变（调节）桨叶节距角β充分利用风能，变桨距风力机的风能利用系数C_P通常由一簇风能利用系数C_P的无因次性能曲线来表示，如图3-17a所示。图3_-17a中的桨叶节距角β（或气流的功角）是风力机翼型的弦与气流速度矢量的夹角。从图中可以看出，当桨叶节距角β逐渐增大时，C_P（λ）将显著减小。对于一定的桨叶节距角β，在某一最佳λ值时风能利用系数C_P有最大值C_Pmax。由式（3-6B）可知，对于某一风速v，存在一个最佳转速Ω_m，使λ为最佳值，C_P为最佳值C_Pmax，最充分的利用风能。

在风电机组采用同步发电机工作在恒定转速或采用异步发电机近似恒速运行时，因为有不同的风速v，则式（3-6B）的叶尖速比λ也不同。由图3-17a可知，为了使风能利用系数C_P最大，在转速Ω_m固定，不同的风速v，因而叶尖速比λ不同时，必需调节桨叶节距角β才能使风能利用系数C_P为最大值，这就要采用桨叶节距角β可变的风力机，靠调节桨叶节距角β的方法调节风力机的运行才能充分利用风能，这种调节风电功率属于机械调节。为达到最大风能利用率，在不同的风速v时如果要求转速Ω_m（N）固定，使风力发电机组直接输出固定频率f_s=50Hz的交流电，则应由式（3-6B）求出λ。例如，当求出的λ=9时，则应将β调节到使C_P=C_Pmax=0.24的最佳值β_max=10°，这时风电机组靠机械调节，由风力机的桨距调节系统进行变桨距控制，当风速v改变时，桨叶节距角β应随风速改变，实现最大风能利用率跟踪控制。(www.xing528.com)

图3-17 风力机风能利用系数

2.定浆距风力机

采用定桨距风力机保持桨叶节距角β为一个很小的固定值，风速v改变时靠改变发电机转速调节风电机组功率属于变速恒频电气调节。

根据式（3-6A）和定桨距风力机风能利用系数（图3-17b），可推导出采用定浆距、发电机可变速运行时，在不同风速下风力机输出的机械功率和转速（P_m-Ω_m）的特性曲线。图3-18给出了一组在不同风速（v₁<v₂<v₃）下风力机的输出机械功率特性曲线。由图3-18可以看出，在某个风速下，风力机输出机械功率随风轮转速Ω_m（或发电机转速N）变化而变化，对应于最大的风能利用系数C_Pmax，存在一个最大输出机械功率点。将各个风速下的最大输出功率点连接起来，就可以得到风力机的最佳功率曲线（P_mopt曲线）。

对于特定的定桨距风力机，在任意一个风速v时，调节电机转速可使叶尖比λ为最佳值λ=λ_opt，风能利用系数C_P为最佳值C_Pmax，使风力机输出功率P_m达到最佳值P_mopt。将式（3-6B）中的v代入式（3-6A）可得到其最佳功率曲线对应的最大输出功率P_mopt，P_mopt与转速成三次方成正比，即

式中，k_opt=0.5ρπR⁵C_Pmax/λ³_opt，λ³_opt为对应最大风能利用系数C_Pmax的最佳叶尖速比

如上所述，当风速一定时，风力机要保证能输出最大机械功率，风力机必须能稳定在相对应的最优转速下，发电机输出的电磁功率（考虑风电机组效率，还应该加上从齿轮箱到发电机的损耗）必需和其他相平衡。因此，在风速变化时应及时调整发电机转速，并相应的调节发电机的输出功率，使风力机保持最佳叶尖速比，风力机将会获得最大风能捕获，有最大机械功率输出。如图3-18所示，风速为v₂在B点转速为ω_m=ω₂稳定运行时，若风速增大到v₃，则工作点应沿P_mopt曲线上移，直到C点风力发电机组在ω_m=ω₃，P_m=P₃工况下稳定运行。当风速从v₂减小到v₁时，则工作点将从B点转到A点运行，这时ω_m应减小到ω₁，P_m应减小到P₁。

图3-18 不同风速下风力机输出机械功率特性曲线

因此，风力机为定浆距风力机，即保持桨叶节距角β为一个很小的固定值不变，风能利用系数C_P只与叶尖速比λ有关，可用一条曲线描述C_P（λ）特性，这就是定桨距风力机的特性曲线，如图3-17b示。这时为了最充分利用风能（即C_P最大），则应在不同风速v时，改变发电机转速N，即改变Ω_m使叶尖速比λ达到最佳值λ_opt，使C_P=C_Pmax，由式（3-6C），发电机转速N应为N=kΩ_m/2π=kλ_optv/2πR。这时

P_max=0.5ρπR²C_Pmaxv³ （3-6E）