水平轴风力机桨距角功率调节研究

水平轴风力机桨距角功率调节研究
作者：李波
来源：《科技创新与应用》2013年第26期
摘要：文章介绍了桨距角和叶尖速比对风能利用系数的影响，分析了水平轴风力机定桨距角失速功率调节和变桨距角功率调节控制技术原理，通过实例提出了最大功率系数与最佳叶尖速比的选取方法，验证了某风机在稳定工况下变桨距角功率调节控制原理。

关键词：风能利用系数；叶尖速；桨距角；功率调节
1 前言
由于风具有随机性和不稳定性，为了保证风机能够将随机的风能转化成稳定输出的电能，需要对风机进行功率调节。

在实际运行过程中，风扫过叶轮并不能将所有的风能都转化为机械能，当风机在欠功率下运行时，研发人员希望能够最大限度地利用风能；反之，当风速超过额定风速后，如果不采取相应措施，风机输出功率将会超过额定功率，必须采取相应的卸载措施，以保证风机能够在稳定的额定功率状态下运行，这样可以有效地避免因载荷过大从而使机组受到破坏的危险。

2 风能利用系数
风轮系统将来流风的风能转化为其旋转的机械能，由发电机将旋转的机械能转化成电能。

事实上，风力机不可能全部吸收风轮扫掠面的所有风能，故引入了风能利用系数CP，它的最大值是贝兹极限[1]Cpmax=0.593，风能利用系数Cp是桨距角?茁和尖速比?姿的函数。

其计算表达式如下：
(1)
在桨距角?茁一定的情况下，随着叶尖速比的变化，存在一个的风能利用系数最大
值]Cpmax，且其值在0.5左右。

同时，对于任意的叶尖速比?姿，桨距角?茁在0°下风能利系数相对较大，随着桨距角的不断增大，风能利用系逐渐降低。

3 定桨距失速功率调节与变桨距功率调节
3.1 定桨距失速功率调节
该风力发电机组的主要结构特点是[2]：风轮的桨叶与轮毂是刚性连接，不论来流风速有多大，桨叶迎风角度保持恒定。

其技术原理是来流风流经叶片时，由于不同的上下翼面，气流
在叶片弯曲面加速，该面上的压力降低；在叶片凹面流速减慢，该面上的压力升高。

叶片两个面上产生的压差就形成了升力。

现假定桨距角?茁保持不变，来流风速v开始增加，攻角?琢随之增大。

起初，升力会随着攻角的增大而增大，当攻角?茁达到某一值后，在翼型尾缘气流区形成大的涡流，流动失去了翼型效应。

与未分离相比，两翼面压力差减小，升力降低，阻力增大，叶片因此失速，有效地限制了功率的增加。

定桨距失速调节没有功率反馈系统和变桨距角伺服执行机构，整机结构简单，造价低，具有较高的安全系数；依靠叶片的失速特性控制功率，在来流风速大于额定风速时，依然能够确定电机输出功率不大于额定值，有效避免飞车现象。

其缺点是：无法最有效地利用风能，翼型的结构要求很高，给成型工艺上带来很大的难度，很少应用在兆瓦级以上的大型风场中。

3.2 变桨距功率调节
变桨距风力发电机组的控制系统是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制[3]，通常应用在大型风力发电机组中，以下给出变桨距角功率调节控制的实现[4]。

根据风力发电机组在不同的风速范围运行情况，可以将其基本控制规定如下：风机在低于额定风速以下运行时，根据Cp(?茁，?姿) 曲线，始终保持Cpmax最大，从而保证风机捕获最大的能量；当风机高于额定风速运行并达到额定功率时，增加桨距角来减少吸收的风能，以保证风机在额定功率下平稳运行。

一般情况下，风机启动前是处于空转状态，即各叶片的桨距角处于90°，当风速达到开机风速后，叶片桨距角不断减小至某一合适角度，使风轮具有最大的起动力矩，风力发电机组更容易起动，风轮转速由零逐渐增大到发电机可并网的转速，此时风力发电机组并网发电。

风机在欠功率的状态下运行时，根据Cp(?茁，?姿)曲线，并通过对发电机转速控制，使叶尖速度与轮毂中心处的风速比（叶尖速比?姿）为恒定值即Cp取最大值Cpmax，使风能利用效率最大，这时整个机组在最佳的状态下运行。

随着风速的增大，风轮转速也相应的同步增大，当转速达到额定转速后，风轮转速在该速度下保持恒定运行。

当功率达到额定值后，发电机组进入了功率恒定区，这时如果风速继续增大，Cp要相应的减小，即各叶片的桨距角要相应的增大，从而使风机在低于Cpmax的条件下能够平稳的保证额定功率的输出。

变桨距调节风力机在各种风况中其结构受到的冲击要小，可缩减材料，降低成本。

该型风力机的桨距角可以随风速的变化而变化，保证风机在各种工况下运行时，各运行参数达到最佳，大于额定风速工作时也不会超载，因此对发电机的承载能力要求也不是很大。

当然变桨距调节对阵风的反应要求灵敏，对于风引起的功率脉动比较大，对变桨距调节机构要求比较高，从而保证足够快地应对阵风的响应速度。

4 实例分析
本文以某台风力发电机为例，基于Bladed平台，对其稳定工况下变桨距角功率调节进行了实例分析，给出各风速参数，见表1。

表1 风机风速参数
图1所示，不同桨距角下功率系数是随着叶尖速比的变化而变化，对于该风机，给出的是桨距角0°，2°，5°，8°，10°度下的Cp(?茁，?姿)曲线，每条曲线下都有一个最大的风能利用系数，但只有在桨距角为0°的情况下整个风机的功率系数达到最大值0.4898，此时对应的最佳叶尖速比为10.1。

因此在风机桨距角设计时，在低于额定功率下风机桨距角始终保持定值0°，使风机能够最大地利用风能；额定风速以后，随着风速的增大桨距角相应的增大，目的是卸掉多余的风能使风机能够平稳地输出额定功率。

风速与桨距角控制要求见图2。

根据IEC61400标准中对风的规定，现给出正常湍流模型(NTM)，平均风速16m/s，风机正常运行条件下桨距角的变化，见图3-图5。

从图3-图5可以看出，当风速高于11.6m/s时，为了保证风机稳定地输出额定功率，桨距角会调整一个合适的角度以卸掉多余的载荷，桨距角桨距角的控制以图2为依据，从而验证了风机变桨功率调节控制原理。

5 结束语
桨距角调节是风机功率输出控制中重要组成部分，该参数直接影响了风能利用率；变桨距功率调节在大型风机中的应用，确保了风电机组最大限度地利用风能，且保证了风机平稳地输出电能，降低了叶片气动疲劳载荷及结构强度的要求。

当然，风机设计是一项综合性的工程设计，在设计中应予以全面考虑各影响因素。

参考文献
[1]武鑫等译.风能技术[M].北京：科学技术出版社，2007，41.
[2]刘万琨，等.风能与风力发电技术[M].北京:化学工业出版社，2006，58-61.
[3]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社，2002，11.
[4]刘勇.兆瓦级风力发电机组变桨距控制系统[J].电子技术，2009.2，4.。