风力发电机的变桨控制技术

叶片攻角是影响风轮功率输出的最主要因素之一，如图6-38所示，通过机械调整叶片桨距角来调整风力机获得的空气动力转矩，从而得到稳定的输出功率。同时，风力机在起动过程中也需要通过变桨距来获得足够的起动转矩。为达到此效果，叶片在控制驱动下绕叶片轴旋转，或者利用离心力，被动变桨。变桨距调节时叶片攻角依据气流状况连续地作出调整与变化。图6-38中，T为周向力，A为切向力，R为合力。

风轮静止时的叶片位置被称为顺桨，如图6-38（a）所示，此时桨距角稍大于90°，叶片升力极小或为零，风轮不旋转或转得较慢；当风速达到起动风速时，叶片安装角向减小的方向转动，直到气流对叶片产生一定的攻角和升力，使风轮起动，如图6-38（b）所示。在风力机功率小于其额定值的正常运行状态，控制系统将叶片叶尖安装角置于0°附近，如图6-38（c）所示，不再变化，这一段工况下的风力机等同于定桨距风力机，其输出功率随风速变化而有所变化，需要指出的是，风力机70%～80%的时间运行在这一段工况内，由于此时桨距角并非都处于最佳状态，这将导致风能利用率的较大损失；当功率超过额定值时，变桨距机构开始工作，增大叶片桨距角，使叶片向攻角减小的方向变化，将风力机的输出功率限制在额定值附近。在执行变桨距动作时，变距机构应保证在所有确定的运行工况点转速下，各叶片的转动保持一致。

图6-38　变桨距风力机叶片的气动特性

为了解决低风速下风轮能量利用率低的问题，近年来，新型的变桨距风力机发电机组在低风速时根据风速大小调整发电机转差率，即改变风轮转速，使其尽量运行在设计最佳叶尖速比上，以获取风轮具备的最大风能利用系数值。当然，能够作为控制信号的只是风速变化稳定的低频分量，对于高频分量并不响应。

事实上，随着现代风力机容量的增大，调控大型机组质量高达数吨的叶片转动并使其响应速度能跟上风速的变化是相当困难的。若无其他相应措施，变桨距风力机的功率调节对高频风速变化的适时响应也就无法实现。因此，近年来设计的变桨距风力机发电机组，除了对叶片进行安装角控制以外，还通过控制发电机转子电流来调控发电机转差率，使得发电机转速在一定范围内能够快速响应风速的变化，以吸收阵风时的瞬时风能，使风能的输出功率更加平稳。

连续地将叶轮叶片超顺桨方向调整，是控制风轮电力输出一个精确而有效的方法，也是在较大风速范围内控制风轮转速的有效方法。电网频率主导着风轮转速，如果发电机未与固定频率的电网相连接，那么风轮转速的控制就显得格外重要。这种控制方法通常在风轮加速到与电网频率同步或者当风力机孤网运行时采用。

将桨距角调整到顺桨位置还有其他的优势。在额定风速下，该控制方法生效时，风轮轴向推力显著下降，但在采用失速控制的风力机中很难有此现象。当风速非常高时，可以通过将桨叶调到顺桨位置，从而大大减小桨叶和风力机的风载荷。

综上所述，变桨距风力机具有如下特点：

（1）变桨距风力机与定桨距风力机相比，在额定功率点以后输出功率更加平稳，如图6-39和图6-40所示。

图6-39　变桨距风力机的功率特性曲线(www.xing528.com)

（2）设计工况附近具有较高的风能利用系数。一般定桨距风力机在低风速段的风能利用系数较高，而风速略超过额定值后，风能利用系数开始大幅下降，如图6-40所示；对于变桨距风力机，由于叶片安装角可调，使得额定风速之后仍然具有较高的风能利用系数。

（3）由于变桨距风力机发电机组的叶片安装角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，通过调整叶片角度，总能使它获得额定功率输出。因而变桨距风力机在高风速段的额定功率不受因大气温度和海拔变化引起的空气密度变化的影响。

图6-40　定桨距风力机的功率特性曲线

（4）起动、脱载性能好。低风速起动时，叶片安装角可转动到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩；当风力机需要甩负载时，如发电机脱网，变桨距风力机可先转动叶片使风轮输出功率连续减小至0，避免脱离负载时的载荷突变，也不需要设置叶尖扰流器气动刹车。

（5）与定桨距风力机相比，变桨距风力机的叶片、机舱、塔架受到的动态载荷较小。

（6）变桨距风力机轮毂结构复杂，制造、维护成本高。

对整个叶片进行变桨控制是比较满意的气动控制方法，但不必要对整个叶片都进行调节。功率主要由风轮外围的叶片产生，因此从气动效率的角度来看，采用部分叶片调节控制方法已经足够，其中可调节的叶片占总叶片长度的25%～30%。这种方法曾用于两叶片的大型风力机，例如美国的MOD-2型风轮叶片，如图6-41所示。该风力机安装了液压变桨控制系统，变桨叶片的长度为总长的25%。

图6-41　MOD-2型风轮叶片

但是，部分叶片变桨距控制存在一些缺陷。在实际中，在外围叶片建立有效可靠的控制机械系统存在困难。在外部叶片，可调节的风轮叶片面积的气动载荷增加。在极高风速下，停运的风轮气动载荷极高，很难将叶片调至顺桨位置。部分叶片变桨控制需要更大的桨距角范围来获得与全翼展调节控制同样的效率。另外一个缺点是，部分叶片变桨控制的风轮起动力矩较小。

另一种部分叶片变桨控制是副翼控制，其思想是如同控制飞机机翼，利用副翼来控制风力机叶片。此概念可作为大型风力机的调节方法，如通用电力公司的MOD-5A大型风力机。然而，相对于全展翼控制方法而言，为了能满足控制要求，此控制系统复杂，需要正、负副翼偏转系统。因此，没有适用的副翼控制经验可借鉴。