考虑到电气回路中各电气装置及元件存在参数限制，而风场中风向和风速频繁变化，尤其是在风速超过风力机额定风速时，发电机输出功率将达到极限，仅靠发电机、电力电子系统控制难以完成风轮转速控制。因此，一些研究机构着手开发改进结构的垂直轴风力机，例如变桨距控制垂直轴风力机、变径垂直轴风力机、带涡流发生器叶片的垂直轴风力机等。
7.1.2.1 变桨距控制技术
变桨距控制技术是通过改变叶片的桨距角来改变叶片的升力和阻力，从而获得较高的风能利用率。水平轴风力机使用变桨距技术已经十分成熟，应用范围十分广泛。垂直轴风力机变桨距技术的研究始于20世纪90年代，其发展相对较慢。
T.Kosaku等在1992年提出了垂直轴风力机不同桨叶单独控制桨距角的思想，分析了叶片旋转一周过程中的攻角变化，给出了近似正弦曲线的桨距角变化曲线，并用动量理论估算了可能达到的风能利用率。
L.Lazauskas在1992年提出了3种桨距角变化曲线，如图7-1所示，并用动量理论计算了其扭矩系数和风能利用率，但是其得到的最大风能利用率仅为37%。
图7-1 L.Lazauskas提出的3种桨距角变化曲线（叶尖速比2.0）
In Seong Hwang等在2006年建立了桨距角变化曲线为正弦曲线的实验系统，并比较分析了变桨距风力机和定桨距风力机的输出功率、扭矩等参数，同时提出了一条新的桨距角变化曲线，如图7-2所示。
芮晓明等对垂直轴变桨距控制的方式进行了研究，对桨距角曲线为正弦曲线的变桨距垂直轴风力机进行了初步设计。
变桨距控制是根据风速的变化及叶片处于不同位置时，调节叶片的桨距角，使叶片处于最佳的迎风位置，从而提高叶片的风能利用率，改善输出功率。垂直轴风力机进行变桨距控制的特点是：在静止时，对所有叶片进行桨距角调节，使每个叶片都处于最佳攻角位置，改善垂直轴风力机启动性能差的缺点。在旋转时，对叶片进行桨距角调节：在风速低于额定风速时，通过对叶片采用桨距角控制，使每个叶片在其位置所受的转矩力最大，从而使风力机随着风速及位置的变化获得最大输出功率；在风速高于额定风速低于切出风速时，通过功率控制调节叶片的桨距角，使输出功率维持在额定功率附近；当风速高于切出风速，对风力机的叶片进行顺桨、停机。垂直轴风力发电机组变桨距控制系统工作原理如图7-3所示，由风轮、增速箱、发电机及控制器组成。
图7-2 In Seong Hwang等提出的桨距角变化曲线
图7-3 垂直轴风力机变桨距控制系统工作原理图
变桨距系统通常有两种类型：一种是液压变桨距型，以液体压力驱动执行机构；另一种是电动变桨距型，以伺服电机驱动齿轮系统实现变桨距调节功能。液压变桨距系统是一个自动控制系统，它根据给定的桨距角，利用一套曲柄连杆机构同步驱动桨叶转动，调节桨距角，对于大惯性负载具有频率响应快、扭矩大，实现无级调速，便于集中控制等特点。电动变桨距控制系统可使每个叶片独立地实现变桨，具有快速性、准确性、同步性等特点。
7.1.2.2 变径控制技术
由国内学者提出的一种可变径垂直轴风力机，变径机构由伺服定位系统和齿轮齿条传动机构组成。变径风力机如图7-4所示。当需要改变风轮回转半径时，首先由变径机构电磁离合器通过吸合作用，将步进电机输出轴与变径齿条轴进行传动连接。然后步进电机驱动器接收到来自控制器的指令，驱动步进电机转动相应的角度，通过变径机构电磁离合器将转动量传至齿轮齿条机构，实现角位移量到直线位移量的转换。变径齿条轴的直线运动再推动相应的滑动铰链座上下直线运动，从而通过与之相连的铰链装置带动风力机叶片的上、下幅杆相对于叶片摆动，实现风轮半径的改变。在不需要变径操作的时候，就将变径机构电磁离合器断开，从而切除齿轮齿条机构与伺服电机之间的动力传递路线。
图7-4 变径风力机
风轮的气动转矩T的表达式为
式中 ρ——空气密度；
R——风轮半径；(www.xing528.com)
v——风速；
CT（λ）——叶尖速比为λ时的转矩系数。
由上述转矩和转速即可求得风轮的输出功率。从中可以看出，风力发电机的输出功率与风力机的风轮半径关系密切。在额定风速范围内，风力机可以采用最大风轮半径运行，以最大功率点跟踪控制或负载跟踪控制的方式尽可能多地提高风能利用率。当风速超过额定风速时，则按照控制规律减小风轮半径，尽可能将风力机转速稳定在额定转速范围，从而在适当减少风能吸收量的同时，保证对风能的有效利用。当风速过大或停止风力机运行时，风轮回转半径能够在程序指令下迅速减至最小，从而使风力机转矩迅速下降，风轮转速也就迅速减小，再配以一定的制动措施，便可快速使风轮转动停止。
7.1.2.3 涡流发生器
涡流发生器由美国学者H.D.Taylor首先提出，一般情况下，涡流发生器安装在机翼的上表面边界层上，并与当地来流保持一定的侧向夹角，涡流发生器如图7-5所示。
涡流发生器的主要作用就是有效地阻止以上各种气流的过早分离。早在20世纪60年代，一些空气动力学研究人员对涡流发生器控制平板湍流边界层的流动机理进行了研究，同时通过对涡流发生器流动的湍流结构、流向涡发展的研究，提出了涡流发生器控制边界层，特别是控制湍流边界层分离的基本原理就是在于向边界层内注入新的涡流能量。
接着空气动力学研究人员对控制翼型和机翼湍流边界层分离的涡流发生器原理做了大量的试验研究工作，包括对涡流发生器的形状、几何参数及安装位置等，并针对其高度与当地边界层厚度相同的早期涡流发生器在非设计状态（即边界层不出现分离）的情况下，产生附加的型阻和涡阻的问题，提出了亚边界层涡流发生器和微型涡流发生器的概念。这类微型涡流发生器的高度相对当地边界层厚度都较小，甚至仅为当地边界层厚度的1/10，它可增加边界层底层的流场能量，能阻止大的逆压梯度形成并延缓边界层分离，而且在非设计状态又不产生大的附加阻力。
图7-5 涡流发生器
半个多世纪以来，涡流发生器在飞机、扩压器、收缩器后体、增升装置和涡轮叶片，甚至先进的战斗机上均获得了广泛的应用。涡流发生器作为一种被动式的流动控制部件，是针对某一个或几个流动状态而设计安装的装置，其优点是简单易行、成本低，但是不足之处是气动单点设计，不能线性控制，针对设计工况带来了不必要的阻力。
7.1.2.4 叶片射流技术
在翼型气动控制领域，采用非定常、小扰动方法进行控制，目前已经成为风力机叶片气动性能研究的热门方向。射流技术基本原理为在叶片表面开设小孔，叶片腔体内安装高压喷射器，喷射器向小孔外喷射非紊乱的气流进入运行状态下的叶片表面边界层中，提升叶片翼型的最大升力系数和失速攻角。
射流技术最早由美国学者Lin J.C和Howard F.G在研究多种主动和被动控制二维翼型湍流分离时提出。该技术是一种新颖的翼型气动特性主动控制技术，它在显著提升翼型升力的同时不增加翼型阻力。通过激光扫描方法，可以清晰地看到射流技术对翼型层流分离抑制效果，层流分离抑制激光扫描如图7-6所示。
射流技术除了具有可控性和良好的抗干扰性能外，结构简单、加工容易也是其被广泛应用于风力机的重要原因。
7.1.2.5 Gurney襟翼
风力机的单台装机容量由初期的几十瓦发展到了现在的6MW，但仍然有一些气动问题需要尽快解决，如低速启动、脉动风或随机阵风引起的振动、静失速、动失速等。这些问题不仅直接影响机组的发电效率，而且引起风力机叶片振动，增加了风力机部件的疲劳损失，严重的会导致风力机的破坏。因此必须采取一定的控制措施，如在启动状态下，能使风力机在较低风速下启动；在正常运行条件（或设计工况下）下，尽可能使风力机叶片各剖面保持较大的升阻比，提高风力机的效率；在大脉动来流和随机阵风下，尽量减少风力机叶片绕流的分离与失速，以便减少风力机叶片的振动和疲劳载荷，提高叶片寿命。
流动控制技术是目前空气动力学研究的重要方向，以Gurney襟翼为代表的流动控制技术得到很大的发展和应用，其中Gurney襟翼是指襟翼与叶片表面垂直。它通过抑制翼型表面层流分离点来改变后缘处流动状态，进而调整了翼型的有效弯度。
图7-6 层流分离抑制激光扫描图
随着叶片尺寸的增加，叶片的柔性特征更加明显，当旋转叶片拍击气流漩涡和湍流时，叶片的疲劳载荷循环次数增加，而Gurney襟翼可以有效地降低有害高频疲劳载荷对叶片的作用。装有Gurney襟翼的翼型尾流示意如图7-7所示。
图7-7 翼型尾流示意图
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