1.3　风轮功率控制

1.3.1　定桨距风轮与变桨距风轮

所谓定桨距风轮，就是叶片安装好后安装角不再发生变化。定桨距风轮一般设计有可控的叶尖扰流器，可旋转90°形成阻尼板，当风电机组需要脱网时可使机组制动。失速型定浆距风轮的整体结构简单、部件少、造价低，并具有较高的安全系数，利于市场竞争。但失速型叶片成型工艺较复杂，叶片的失速特性不好控制，不利于向大机组发展。

变桨距风轮是为了适应不同的风速，使其在不同风速下都有较高的功率系数而设计的。根据风轮的功率特性，如果在某一风速下有较高的功率系数，则在其他风速下功率系数会下降。如果随着风速的变化，调节整个桨叶的安装角，则有可能在较大的风速范围内都可以获得较高的功率系数，从而可以获得最大功率输出。

变浆距型风轮能使叶片的安装角随风速变化而变化，从而使风轮在各种工况下（启动、正常运转、停机）按最佳参数运行。它可以使发电机在额定风速以下的工作区间输出较大的功率，而在额定风速以上高风速区间不超载，因此发电机不需要大的过载能力。它的缺点是需要有一套比较复杂的变桨距调节结构。

1.3.2　风轮功率控制方式

为了避免高风速对风轮带来的损害，可以采用不同的控制方法控制作用在风轮上的气动转矩和限制风轮的输出功率。对风轮输出功率的控制方法有失速控制（被动控制）、变桨距控制（主动控制）和主动失速控制。

1.3.2.1　失速控制

失速控制是最常用的控制方法，叶片以一个固定的角度安装在轮毂的轴上。因此在额定风速下，风轮的效率较低。而当风速超过额定风速时，桨叶依赖于叶片独特的翼型结构，使流过叶片的气流产生紊流而降低叶片的利用效率，自动将功率限制在额定值附近，使转子失去一部分功率，因此这种控制方式称为失速控制。气动功率调整的速度比较慢，比快速桨距功率调整引起的功率波动小。这种控制方式的缺点是在低风速下效率低，无辅助启动，在空气密度和电网频率发生变化时，最大静态功率发生变化。失速控制的过程很复杂，特别是风速不稳定时的精确计算很困难，所以只在兆瓦级以下的风机中得到应用。

1.3.2.2　变桨距控制

变桨距控制的原理是气流对叶片的攻角可随着风速的变化而进行调整，从而改变风电机组从风中获得的机械能。这种控制方法的优点是可以对功率进行很好的控制，并可以辅助启动和紧急刹车。从发电效率来看，优良的功率控制意味着在高风速下输出功率的平均值总是接近发电机的额定功率。而变桨距控制可以调节桨叶桨距角，使输出功率保持稳定。该控制方式的缺点是由于存在桨距机构，结构复杂，在高风速下功率波动较大。由于阵风和桨距机构下的限速，瞬时功率将会在平均额定功率附近发生波动。

1.3.2.3　主动失速控制

主动失速控制是失速控制和变桨距控制的结合，它在低风速下和高风速下都可以对输出功率进行控制。在低风速下，将桨距角调节到最佳桨距角以获得更高的气动效率；在高风速下，风力机按照与低风速时变桨距调节的相反方向来调节桨距角。这种主动失速控制的实质是叶片攻角发生了变化，从而引起更深层次的失速。主动失速控制的风力机可以获得平滑的、有限的功率，不会像变桨距控制风力机那样产生大的功率波动。这种控制方式的优点是能够补偿空气密度的变化，容易启动并容易实现紧急刹车。

主动失速控制风轮在原理上是一个具有变桨距机构的失速控制风轮。失速控制风轮和主动失速控制风轮的区别在于后者有一个可以控制失速效果的变桨距角触动系统；另外，功率系数可以在某个范围内进行优化。当风速在启动风速和额定风速之间时，桨距角按最佳输出功率调节到最佳位置；当风速超过额定风速时，通过利用失速效果将输出功率限制在额定功率。为了获得平坦的功率曲线，即在额定风速到切出风速之间得到恒定的额定功率，必须相应地对桨距角进行调节。主动失速控制风轮的运行模式有功率优化和功率限制两种。

1.功率优化

当风速低于额定风速且输出功率低于额定功率时，对风轮输出功率进行控制的目标是实现最大功率点跟踪以捕获最大风能。通过在给定的风速下求出对应于最佳功率系数CPmax的桨距角，同时当风速变化时改变风轮的转速来改变叶尖速比来对功率进行优化。由于风速是在某一个时间范围内的平均值，因此对桨距角进行调节只能获得平均风速时的最大功率系数。功率优化是一个开环控制，不需要来自桨距角和功率对风速的反馈量，控制简单。

图1-5所示为在不同风速下风能利用系数CP与桨距角β的关系曲线，可以看出：在低风速时，CP—β的关系曲线在CP最大值处相当尖，即CP对偏离最佳桨距角β的小小的变化都是很敏感的；在高风速时，曲线在顶部变得平坦些，即风速稍微变化和偏离最佳角对最佳功率系数没有太大的影响。因此，低风速时的最佳桨距角应该精确地求出。

调节桨距角时应该根据平均风速值而不是根据瞬时风速值，因此要使用平均移动法求出平均风速。平均移动法实际上是一个过滤风速信号的方法，此方法常用于风力机控制器中。在风速超过额定风速或功率超过额定功率时，桨距角控制系统才起作用。

2.功率限制

当输出功率超过额定值，或风速超过额定值时，功率限制模式就起作用。在功率限制模式中，功率控制采用闭环控制，将测量到的发电机平均功率和风力机功率的设定值进行比较，在正常运行时，风轮功率的设定值一般是风轮的额定值。若平均功率超过设定值，桨距角按负方向增加以增加失速效果，因此限制输出功率；若平均功率低于设定值，桨距角按正方向增加以降低失速效果，因此增加输出功率。图1-6所示为在额定风速和切出风速范围内获得恒定功率时桨距角的调节。