变桨距机组控制系统特点分析

从空气动力学角度考虑，当风速过高时，只有通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，才能使功率输出保持稳定。同时，风力机在启动过程中也需要通过改变节距来获得足够的启动转矩。采用变桨距机构的风力发电机组可使桨叶和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机组的总体设计十分有利。目前已有多种型号的变桨距600kW级风力发电机组进入市场。其中较为成功的有丹麦VESTAS的V39/V42-600kW机组和美国Zand的Z 40-600kW机组。从今后的发展趋势看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。

变桨距风力发电机组又分为主动变桨距控制与被动变桨距控制。主动变桨距控制可以在大于额定风速时限制功率，这种控制的实现是通过将每个叶片的部分或全部相对于叶片轴方向进行旋转以减小攻角，同时也减小了升力系数。被动变桨距控制是一种令人关注的可替代主动变桨距限制功率的方式，其思路是将叶片或叶片的轮毂设计成在叶片载荷的作用下扭转，以便在高风速下获得所需的节距角。但因为所必需的叶片随风速变换而扭转的变化量一般并不与叶片相应的载荷变化相匹配，所以很难实现。对于独立运行的风力发电机组，发电量的最大化不是主要目标，被动变桨距控制方案有时候被采用，但是这一概念在并网运行的风力发电机组中尚未应用。

变桨距控制主要是通过改变翼型迎角变化，从而使翼型升力变化来进行调节的。变桨距控制多用于大型风力发电机组。

变桨距控制是通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片减小迎角，由此来减小翼型的升力，以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。变桨距调节时叶片迎角可相对气流连续地变化，以便得到风轮功率输出达到希望的范围。在90°迎角时是叶片的顺桨位置。在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化从而限制功率，一般变桨距范围为90°～100°。从启动角度0°到顺桨，叶片就像飞机的垂直尾翼一样。

除此之外，还有一种方式，即主动失速，又称负变桨距，就像失速一样进行调节。负变桨距范围一般在-5°左右；在额定功率点以前，叶片的节距角是固定不变的，与定桨距风轮一样，在额定功率以后（即失速点以后），由于叶片失速导致风轮功率下降，风轮输出功率低于额定功率，为了补偿这部分损失，应适当调整叶片的节距角，来提高风轮的功率输出。

变桨距叶片变桨距时气流变化过程和叶片角度变化如图3-11所示。

当达到最佳运行时，一般已达到额定功率，就不再变桨了。70%～80%的时间运行在0至额定功率之间，桨距处于非最佳状态，这样会产生很大的能量损失，而且确定最佳迎角由测量风速来决定，而风速测量往往不准确，反而产生副作用。阵风时，风轮叶片变桨距反应滞后会产生能量损失，以至于最佳迎角在部分负载运行时无法达到稳定的调节。

功率调节的好坏与叶片变桨距速度有关。叶片变桨距速度应很快，以产生很小的风轮回转质量惯性力矩，且调节质量保持不变。

图3-11　变桨距叶片变桨距时气流连续变化过程和角度变化

3.3.1.1　变桨距机组的特点

1.输出功率特性

变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点，如图3-12、图3-13所示。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当在额定功率以下时，控制器将叶片节距角置于0°附近，不作变化，可认为其输出功率等于定桨距风力发电机组的，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化；当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片节距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。但是，随着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力发电机组的单个叶片已重达数吨，对操纵如此巨大的惯性体，并且响应速度要能跟得上风速的变化相当困难。事实上，如果没有其他措施，变桨距风力发电机组的功率调节对高频风速变化仍然无能为力。因此，近年来设计的变桨距风力发电机组，除了对桨叶进行节距控制以外，还通过控制发电机转子电流来控制发电机转差率，使得发电机转速在一定范围内能够快速响应风速的变化，以吸收瞬变的风能，使输出的功率曲线更加平稳。

图3-12　变桨距风力发电机组功率曲线

图3-13　定桨距风力发电机组功率曲线

2.在额定点具有较高的风能利用系数

与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，变桨距风力发电机组额定风速比定桨距风力发电机组的要低。对于定桨距风力发电机组，一般在低风速段的风能利用系数较高。当风速接近额定功率点时，风能利用系数开始大幅下降。因为这时随着风速的升高，功率上升已趋缓，而过了额定功率点后，桨叶已开始失速，风速升高，功率反而有所下降。对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，无需担心风速超过额定功率点后的功率控制问题，可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。

3.确保高风速段的额定功率(www.xing528.com)

由于变桨距风力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，它不受气流密度变化的影响。无论是由于温度变化还是海拔引起空气密度变化，变桨距系统都能通过调整叶片角度，使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风力发电机组来说，具有明显的优越性。

4.启动性能与制动性能

变桨距风力发电机组在低风速时，桨叶节距可以转动到合适的角度，使风轮具有最大的启动力矩，从而使变桨距风力发电机组比定桨距风力发电机组更容易启动。在变桨距风力发电机组上，一般不再设计电动机启动的程序。

当风力发电机组需要脱离电网时，变桨距系统可以先转动叶片使之减小功率，在发电机与电网断开之前，功率减小至0。这意味着当发电机与电网脱开时，没有转矩作用于风力发电机组，避免了在定桨距风力发电机组上每次脱网时所要经历的突甩负载的过程。

3.3.1.2　变桨距风力发电机组的运行状态

变桨距风力发电机组根据变桨距系统所起的作用可分为三种运行状态，即风力发电机组的启动状态（转速控制）、欠功率状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）。

1.启动状态

变距风轮的桨叶在静止时，节距角为90°，如图3-14所示，这时气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到启动风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始启动，在发电机并入电网以前，变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按一定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整节距角，进行速度控制。为了确保并网平稳，对电网产生尽可能小的冲击，变桨距系统可以在一定时间内保持发电机的转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网。虽然在主电路中也采用了软并网技术，但由于并网过程的时间短（仅持续几个周波）、冲击小，可以选用容量较小的晶闸管。

为了使控制过程比较简单，早期的变桨距风力发电机组在转速达到发电机同步转速前对桨叶节距并不加以控制。在这种情况下，桨叶节距只是按所设定的变桨距速度将节距角向0°方向打开。直到发电机转速上升到同步速附近，变桨距系统才开始投入工作。转速控制的给定值是恒定的，即同步转速，转速反馈信号与给定值进行比较，当转速超过同步转速时，桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一定时间后发电机即并入电网。

图3-14　不同节距角时的桨叶截面

2.欠功率状态

欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率状态运行。与转速控制道理相同，在早期的变桨距风力发电机组中，对欠功率状态不加控制。这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同，其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。

近年来，以Vestas为代表的新型变桨距风力发电机组，为了改善低风速时桨叶的气动性能，采用了所谓OptiTip技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。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。这种优化只是弥补了变桨距风力发电机组在低风速时的不足之处，与定桨距风力发电机组相比，并没有明显的优势。

3.额定功率状态

当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态。在传统的变桨距控制方式中，这时将转速控制切换到功率控制，变桨距系统开始根据发电机的功率信号进行控制。控制信号的给定值是恒定的，即额定功率。功率反馈信号与给定值进行比较，当功率超过额定功率时，桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图如图3-15所示。

图3-15　传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图

由于变桨距系统的响应速度受到限制，对快速变化的风速，通过改变节距来控制输出功率的效果并不理想。因此，为了优化功率曲线，最新设计的变桨距风力发电机组在进行功率控制的过程中，其功率反馈信号不再作为直接控制桨叶节距的变量。变桨距系统由风速低频分量和发电机转速控制，风速的高频分量产生的机械能波动，通过迅速改变发电机的转速来进行平衡，即通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制。当风速高于额定风速时，允许发电机转速升高，将瞬变的风能以风轮动能的形式储存起来；速转降低时，再将动能释放出来，使功率曲线达到理想的状态。