3.2　變轉(zhuǎn)速運(yùn)行

3.2.1　影響風(fēng)力機(jī)功率的因素

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率主要受三個(gè)因素的影響：風(fēng)速V_W、槳距角β和高速特性數(shù)。

風(fēng)力機(jī)功率P_r為

　　 （3-1） 　　

　　 （3-2） 　　

式中，P_r為風(fēng)輪吸收功率，W；ρ為空氣密度，kg/m³；r為風(fēng)輪半徑，m；λ為速比，是葉尖速度與風(fēng)速之比；

　　 （3-3） 　　

C_P（β，λ）為風(fēng)能利用系數(shù)，最大值是貝茲極限59.3％，C_P曲線如圖3-3所示。

C_P（β，λ）曲線是保持槳距角β不變的風(fēng)力機(jī)性能變化。根據(jù)圖3-3，只要使得風(fēng)輪的速比不變，即風(fēng)輪葉尖速度u（相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n）與風(fēng)速V_W同步增減，就可維持機(jī)組在最佳效率C_Pmax下運(yùn)行。

變轉(zhuǎn)速控制就是使風(fēng)輪跟隨風(fēng)速的變化相應(yīng)改變其旋轉(zhuǎn)速度，以保持基本恒定的最佳速比λ_opt（圖3-4）。

3.2.2　變轉(zhuǎn)速運(yùn)行的特點(diǎn)

相對(duì)于恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，變轉(zhuǎn)速運(yùn)行有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）具有較好的效率，可使槳距角調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單化

變轉(zhuǎn)速運(yùn)行放寬對(duì)槳距角控制響應(yīng)速度的要求，降低槳距角控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，減小峰值功率要求。低風(fēng)速時(shí)，槳距角固定，高風(fēng)速時(shí)，調(diào)節(jié)槳距角限制最大輸出功率。

（2）能吸收陣風(fēng)能量　陣風(fēng)時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加，把陣風(fēng)風(fēng)能余量存儲(chǔ)在風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中，減少陣風(fēng)沖擊對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶來的疲勞損壞，減少機(jī)械應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，延長(zhǎng)機(jī)組壽命。當(dāng)風(fēng)速下降時(shí)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪動(dòng)能便釋放出來變?yōu)殡娔芩徒o電網(wǎng)。

（3）系統(tǒng)效率高　變轉(zhuǎn)速運(yùn)行風(fēng)力機(jī)可以在最佳速比、最大功率點(diǎn)運(yùn)行，提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率，與恒速/恒頻風(fēng)電系統(tǒng)相比，年發(fā)電量一般可提高10％以上。

（4）改善功率品質(zhì)　由于風(fēng)輪系統(tǒng)的柔性，減少了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而減少了輸出功率的波動(dòng)。

（5）減小運(yùn)行噪聲　低風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪處于低轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)，使噪聲降低。

風(fēng)輪機(jī)和發(fā)電機(jī)共同工作的特性曲線見圖3-5。

由圖3-5可見，對(duì)于某設(shè)計(jì)風(fēng)速有一最佳的轉(zhuǎn)速，風(fēng)速越高，最佳的轉(zhuǎn)速越高，這是風(fēng)輪機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。