2.3 風(fēng)輪模型

2.3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本特性及模型

風(fēng)能是空氣流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能，由流體力學(xué)可知，氣流的動(dòng)能為

式中 m——?dú)饬鞯馁|(zhì)量；

v——?dú)饬鞯乃矔r(shí)速度。

設(shè)單位時(shí)間內(nèi)氣流流過截面積為S的氣體的體積為V，則

該氣體的空氣質(zhì)量為

式中 ρ——?dú)怏w密度（在15℃的海平面平均氣壓下為1.225kg/m³）。

則單位時(shí)間內(nèi)流過風(fēng)輪的氣流所具有的動(dòng)能，即風(fēng)功率為

式（2-25）給出了風(fēng)中理論上可以開發(fā)利用的能量，其大小隨風(fēng)速的立方而變化，如果風(fēng)速加1倍，風(fēng)能則增至8倍。然而，風(fēng)力機(jī)無法從風(fēng)中全部提取上述能量，當(dāng)風(fēng)流過風(fēng)力機(jī)時(shí)，一部分動(dòng)能傳遞給風(fēng)輪，剩下的能量被流過風(fēng)力機(jī)的氣流帶走。葉輪輸出的實(shí)際功率取決于能量轉(zhuǎn)換過程中風(fēng)與風(fēng)輪相互作用時(shí)的效率，即風(fēng)能利用系數(shù)C_p，所以風(fēng)力機(jī)的實(shí)際輸出機(jī)械功率為

風(fēng)能利用系數(shù)（C_p）是表征風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，代表了風(fēng)輪從風(fēng)能中捕獲功率的能力，它與風(fēng)速、葉片轉(zhuǎn)速、葉片直徑、葉片槳距角（β）均有關(guān)系。為了便于討論C_p的特性，定義風(fēng)力機(jī)的另一個(gè)重要參數(shù)葉尖速比（λ），即葉片的葉尖線速度與風(fēng)速之比為

式中 R_t——葉片的半徑；

ω_t——葉片旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。

風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性可分為定槳距和變槳距兩種。定槳距的風(fēng)力機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：風(fēng)輪的槳葉與輪轂是固定的剛性連接，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉節(jié)距角保持不變，此時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)只與葉尖速比有關(guān)，可用一條曲線描述C_p（λ）特征，如圖2-3所示。C_p（λ）曲線反映的是標(biāo)幺化之后的風(fēng)力機(jī)特性，不同廠商、不同功率的風(fēng)力機(jī)的C_p（λ）特性是非常相似的。從該曲線可以看出，對(duì)一特定的風(fēng)力機(jī)，有唯一的λ使得C_p最大，稱為最佳葉尖速比λ。_pt，對(duì)應(yīng)最大風(fēng)能利用系數(shù)為C_pmax。從圖2-3可以看出，當(dāng)葉尖速比大于或小于最佳葉尖速比時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)都會(huì)偏離最大風(fēng)能利用系數(shù)，引起機(jī)組效率的下降。一般λ_opt為8～9，即葉尖速是風(fēng)速的8～9倍時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)最大。

變槳距風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：風(fēng)輪的葉片與輪轂通過軸承連接，需要功率調(diào)節(jié)時(shí)，葉片就相對(duì)輪轂轉(zhuǎn)一個(gè)角度，即改變?nèi)~片的槳距角。圖2-4是變槳距風(fēng)力機(jī)的特性曲線，當(dāng)槳距角逐漸增大時(shí)，C_p（λ）曲線向下移動(dòng)，即C_p隨之減小。因此，調(diào)節(jié)槳距角可以限制捕獲的風(fēng)電功率。當(dāng)功率在額定功率以下時(shí)，控制器將葉片槳距角置于0°附近，不作變化，可認(rèn)為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)的功率根據(jù)葉片的氣動(dòng)性能隨風(fēng)速的變化而變化。當(dāng)功率超過額定功率時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)開始工作，調(diào)整葉片槳距角，將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定值附近。

圖2-3 槳距角固定時(shí)的風(fēng)力機(jī)特性曲線C_p（λ）

圖2-4 不同槳距角下的風(fēng)力機(jī)特性曲線C_p（λ.β）

變槳距風(fēng)力機(jī)與定槳距風(fēng)力機(jī)相比具有以下特點(diǎn)：

（1）由于變槳距風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動(dòng)性能，所以具有在額定功率點(diǎn)以上輸出功率平穩(wěn)的特點(diǎn)。

（2）對(duì)于定槳距風(fēng)力機(jī)，一般在低風(fēng)速段的風(fēng)能利用系數(shù)較高，當(dāng)風(fēng)速接近額定點(diǎn)時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)開始大幅度下降。而變槳距風(fēng)力機(jī)，由于槳葉的槳距角可以控制，使得在額定功率點(diǎn)仍然具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)。

（3）變槳距風(fēng)力機(jī)由于能調(diào)整葉片角度，故功率輸出不受溫度、海拔、氣流密度的影響。

（4）變槳距風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速時(shí)，槳葉可以轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的角度，使風(fēng)輪具有最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而比定槳距風(fēng)力機(jī)更容易控制。

（5）變槳距風(fēng)力機(jī)輪轂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造、維護(hù)成本高。

不同廠商風(fēng)力機(jī)的C_p（λ，β）曲線是非常相似的，因此，在電力系統(tǒng)仿真中常用較為通用的高階非線性函數(shù)來描述其特性。理論研究中可采用以下函數(shù)計(jì)算

式（2-28）中的c₁～c₉為C_p曲線的擬合參數(shù)，對(duì)不同風(fēng)力機(jī)的特性曲線進(jìn)行擬合后得到的上述參數(shù)略有不同。為了使式（2-28）擬合的曲線與制造商提供的曲線之間的誤差最小，一般采用多維優(yōu)化。

2.3.2 貝茲理論

風(fēng)力發(fā)電的過程是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在這個(gè)過程中，風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的過程起了相當(dāng)重要的作用，它直接決定了最終風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率。但是不管采用什么形式的風(fēng)力機(jī)，都不可能將風(fēng)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。因此在研究風(fēng)力發(fā)電的時(shí)候定義了一個(gè)風(fēng)能利用系數(shù)C_p，用來評(píng)價(jià)風(fēng)力機(jī)所吸收能置的程度。

為了討論這個(gè)問題，德國的貝茲（Bet_z）于1926年建立了風(fēng)力機(jī)的第一個(gè)氣動(dòng)理論。他假定風(fēng)輪是理想的，沒有輪轂，具有無限多的葉片，氣流通過風(fēng)輪時(shí)沒有阻力；并假定氣流經(jīng)過整個(gè)風(fēng)輪掃掠面是均勻的，并且氣流流過風(fēng)輪前后的速度均與軸同方向。

如圖2-5所示，v為通過風(fēng)力機(jī)截面S的實(shí)際速度，v₁為風(fēng)力機(jī)上游遠(yuǎn)處的風(fēng)速，v₂為風(fēng)力機(jī)下游遠(yuǎn)處的風(fēng)速。假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得

圖2-5 風(fēng)輪的氣流圖

由氣流沖量原理可得葉輪所受的軸向推力為

葉輪單位時(shí)間內(nèi)吸收的風(fēng)能——葉輪吸收的功率為

由動(dòng)能定理可知單位時(shí)間內(nèi)氣流所做的功為

在葉輪的前后，單位時(shí)間內(nèi)氣流動(dòng)能的改變量為

此即氣流穿越葉輪時(shí)，被葉輪吸收的功率，因此得出

整理得

即穿越葉輪的風(fēng)速為葉輪遠(yuǎn)前方和遠(yuǎn)后方風(fēng)速的均值。

將式（2-35）代入式（2-33）可得

通常v₁是已知的，所以P可以看成是關(guān)于v₂的函數(shù)，將式（2-36）對(duì)v₂求導(dǎo)并令其為零，得v₂＝v₁，由此可求得功率的最大值為

將式（2-37）除以氣流通過掃風(fēng)面S時(shí)所具有的動(dòng)能，可得到風(fēng)輪的理論最大效率（或稱理論風(fēng)能利用系數(shù)）為

這就是著名的貝茲定理，它說明風(fēng)輪從自然界中所獲得的能量是有限的，理論上最大值為原有能量的0.593倍，其損失部分可解釋為留在尾跡中的氣流旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。現(xiàn)代三槳葉風(fēng)力機(jī)在輪轂處實(shí)測(cè)的最優(yōu)C_p值為0.52～0.55。而最終的風(fēng)能利用系數(shù)還要考慮機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能時(shí)的損耗，目前風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)電功率轉(zhuǎn)化為電氣功率的最優(yōu)利用系數(shù)為0.46～0.48。

2.3.3 風(fēng)力機(jī)的功率—轉(zhuǎn)速特性

從上面的分析可知，在某一固定的風(fēng)速v下，隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，C_p值也會(huì)相應(yīng)變化，從而使風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率隨之變化。對(duì)于一特定風(fēng)力機(jī)，C_p（λ）特性曲線已知，槳葉半徑R_t為常數(shù)，則可建立不同風(fēng)速下描述C_p與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω_r關(guān)系的特性曲線簇C_p（ω_r，v），如圖2-6所示。風(fēng)力機(jī)在固定風(fēng)速下的最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)對(duì)應(yīng)唯一的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，隨著風(fēng)速增加，C_p（ω_r）曲線向右移動(dòng)，轉(zhuǎn)速也需隨之而增加才能捕獲最大功率。根據(jù)式（2-26）可進(jìn)一步得到風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率和轉(zhuǎn)速之間關(guān)系的曲線簇P_m（ω_r，v），如圖2-7所示。

在圖2-7所示的曲線簇中，連接最大功率點(diǎn)即可得到功率最優(yōu)曲線P。_pt（ω_r）。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于最優(yōu)點(diǎn)時(shí)（即λ＝λ_opt、C_p＝C_pmax），根據(jù)式（2-27）可得風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

將式（2-39）代入（2-26）中，可得在最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)風(fēng)力機(jī)捕獲的功率為

圖2-6 不同風(fēng)速下C_p（ω_r，v）特性曲線

圖2-7 不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系及最大功率跟蹤曲線

式中：，為最優(yōu)功率曲線系數(shù)。由式（2-40）可知，對(duì)于特定的風(fēng)力機(jī)，其最佳功率曲線是確定的，最大功率和轉(zhuǎn)速呈三次方成正比關(guān)系。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為

變速風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以使葉尖速比保持在λ_opt的范圍內(nèi)，而風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值。因而在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出將高于恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在更高風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)通過變槳距控制使機(jī)械功率保持在額定水平，避免機(jī)械和電氣系統(tǒng)因過載而損壞。

2.3.4 風(fēng)力機(jī)的功率跟蹤曲線與運(yùn)行區(qū)域

根據(jù)不同的風(fēng)速，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行范圍一般可以劃分為四個(gè)區(qū)域。在不同的區(qū)域內(nèi)不僅控制手段和控制任務(wù)各不相同，而且風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的控制重點(diǎn)和協(xié)調(diào)關(guān)系也不相同。

第一個(gè)運(yùn)行區(qū)域是啟動(dòng)并網(wǎng)區(qū)域，此時(shí)風(fēng)速從零上升到切入風(fēng)速，并保持一段時(shí)間，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組解除制動(dòng)裝置，由停機(jī)狀態(tài)進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)。這個(gè)區(qū)域的主要控制目的是實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)，其中風(fēng)力機(jī)的變槳距控制使發(fā)電機(jī)快速平穩(wěn)升速，并在轉(zhuǎn)速達(dá)到同步范圍時(shí)針對(duì)風(fēng)速的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使其保持恒定或在一個(gè)允許范圍內(nèi)變化。

第二個(gè)運(yùn)行區(qū)域是最大功率跟蹤區(qū)域。此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于最大允許轉(zhuǎn)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要保持變速恒頻運(yùn)行。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)實(shí)行最大風(fēng)能追蹤控制，保證風(fēng)力機(jī)在最大風(fēng)能利用系數(shù)C_pmax下運(yùn)行，因此該區(qū)域又稱為C_p恒定區(qū)。在C_p恒定區(qū)追蹤最大風(fēng)能時(shí)，風(fēng)力機(jī)控制子系統(tǒng)進(jìn)行定槳距控制，即將槳距角設(shè)定在最大風(fēng)能吸收角度，發(fā)電機(jī)控制子系統(tǒng)通過控制發(fā)電機(jī)的輸出功率來控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行。

第三個(gè)運(yùn)行區(qū)域是轉(zhuǎn)速恒定區(qū)。隨著風(fēng)速的增大，機(jī)組的轉(zhuǎn)速也在增大，最終達(dá)到機(jī)組允許的最大轉(zhuǎn)速，但風(fēng)力機(jī)輸出功率未達(dá)到最大限度，風(fēng)力機(jī)維持該轉(zhuǎn)速不變，即在恒轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，在此區(qū)域一般是由風(fēng)力機(jī)控制子系統(tǒng)通過變槳距控制來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制任務(wù)。

通過以上分析可知，第二區(qū)域和第三區(qū)域都是在額定風(fēng)速以下的區(qū)域，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)已并入電網(wǎng)運(yùn)行，獲得的能量轉(zhuǎn)換成電能輸送到電網(wǎng)。

第四個(gè)運(yùn)行區(qū)域?yàn)楹愎β蔬\(yùn)行區(qū)域。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率也繼續(xù)增大，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)和變換器的功率達(dá)到極限。因此，此運(yùn)行區(qū)域的控制目標(biāo)是保證機(jī)組的功率在額定值附近而不會(huì)超過功率極限。風(fēng)力機(jī)通過調(diào)節(jié)槳距角實(shí)現(xiàn)在風(fēng)速增加時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速降低，C_o值迅速降低，從而保持功率恒定。

圖2-8 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率跟蹤曲線與運(yùn)行區(qū)域

從上面的討論可以看出，在風(fēng)速變化過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在不同的區(qū)域各有不同的控制任務(wù)和控制方法，如圖2-8所示。圖2-8中OA為啟動(dòng)階段，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)控制，發(fā)電機(jī)無功功率輸出；AB段為C_p恒定區(qū)，機(jī)組隨著風(fēng)速作變速運(yùn)行以追蹤最大風(fēng)能；BC段為轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，隨著風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速保持恒定，功率將增大；CD段為功率恒定區(qū)，隨著風(fēng)速增大，控制轉(zhuǎn)速迅速下降以保持恒定的功率輸出。

根據(jù)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不同運(yùn)行區(qū)域，可將基本控制方式確定為：低于額定風(fēng)速時(shí)，實(shí)行最大風(fēng)能追蹤控制或轉(zhuǎn)速控制，以獲得最大的能量或控制機(jī)組轉(zhuǎn)速；高于額定風(fēng)速時(shí)，實(shí)行功率控制，保持功率輸出穩(wěn)定。

圖2-8所示的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率跟蹤曲線用于給定發(fā)電機(jī)有功參考指令，可由轉(zhuǎn)速反饋ω_r計(jì)算得出，即

式中 ω₀——風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的初始轉(zhuǎn)速；

ω₁——進(jìn)入轉(zhuǎn)速恒定區(qū)時(shí)的初始轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電角速度；

ω_max——風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速限幅值對(duì)應(yīng)的電角速度；

P_max——風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出有功功率限幅值。

2.3.5 風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)

風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速（一般為12～16m/s）以后，由于葉片的機(jī)械強(qiáng)度和發(fā)電機(jī)、電力電子容量物理特性的限制，必須降低風(fēng)輪的能量捕獲，使功率輸出保持在額定值附近。同時(shí)也減少了葉片承受的負(fù)荷和整個(gè)風(fēng)力機(jī)受到的沖擊，從而保證了風(fēng)力機(jī)的安全。目前常見的功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、主動(dòng)失速調(diào)節(jié)三種方式。其中，定槳距失速控制最簡單，利用高風(fēng)速時(shí)升力系數(shù)和阻力系數(shù)的增加，限制功率在高風(fēng)速時(shí)保持近似恒定。變槳距調(diào)節(jié)通過轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉片安裝角以減小攻角。高風(fēng)速時(shí)減小升力系數(shù)，以限制功率。葉片主動(dòng)失速調(diào)節(jié)簡單可靠，利用槳距調(diào)節(jié)，在中低風(fēng)速區(qū)可優(yōu)化功率輸出。

圖2-9 風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)原理

圖2-9中，v_w為軸向風(fēng)速；β為槳距角，是槳葉回轉(zhuǎn)平面與槳葉截面弦長之間的夾角；α為攻角，是相對(duì)氣流速度和弦線之間的夾角；F為作用在槳葉上的力，可以分解為F_d和F₁兩部分。其中F₁與風(fēng)速v_w垂直，稱為驅(qū)動(dòng)力，使槳葉旋轉(zhuǎn)；F_d與風(fēng)速v_w平行，稱為推力，作用在塔架上。

1.定槳距失速調(diào)節(jié)

定槳距是指風(fēng)輪的槳葉與輪轂之間是剛性連接，葉片的槳距角不變。由于葉片的上下翼面形狀不同，當(dāng)氣流流過時(shí)由于凸面的彎曲而使氣流加速，氣壓較低；凹面較平緩使氣流速度減緩，壓力較高，壓差在葉片上產(chǎn)生由凹面指向凸面的升力。如圖2-9（a）所示，槳距角β不變，當(dāng)風(fēng)速v_w增加時(shí)攻角α相應(yīng)增大，造成上下翼面壓力差減小，致使阻力增加升力減少，從而限制了功率的增加，這種現(xiàn)象叫做葉片失速。

失速調(diào)節(jié)葉片的攻角沿軸向由根部向葉尖逐漸減少，因而葉片根部先進(jìn)入失速，隨風(fēng)速增大，失速部分向葉尖處擴(kuò)展，原先已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐漸進(jìn)入失速區(qū)。失速部分使功率減少，未失速部分仍有功率增加，從而使輸入功率保持在額定功率附近，這就是失速調(diào)節(jié)的原理。

由此可見定槳距失速控制由于沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距角執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使得整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、部件少、造價(jià)低，并具有較高的安全系數(shù)。但失速控制方式主要依賴于葉片獨(dú)特的翼型結(jié)構(gòu)，造成葉片本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且工藝難度也較大。隨著功率增大，葉片加長，所承受的氣動(dòng)推力大，使得葉片的剛度減弱，失速動(dòng)態(tài)特性變得不易控制，所以目前很少應(yīng)用在兆瓦級(jí)以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制上。

2.變槳距調(diào)節(jié)

變槳距型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能使風(fēng)輪葉片的安裝角隨風(fēng)速而變化，槳距角的微小變化對(duì)功率輸出有顯著的影響。對(duì)于一定的風(fēng)況條件，可以通過對(duì)葉片槳距角進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使設(shè)計(jì)的風(fēng)輪運(yùn)行在最佳風(fēng)能捕獲狀態(tài)。

變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率調(diào)節(jié)的原理是：風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，葉尖槳距角β＝90°，這時(shí)氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，整個(gè)槳葉實(shí)際上是一塊阻尼板。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪開始啟動(dòng)。

如圖2-9（b）所示，當(dāng)槳距角β＝0°時(shí)，風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而發(fā)電機(jī)的輸出功率還小于其額定功率時(shí)，風(fēng)力機(jī)應(yīng)盡可能地捕捉較多的風(fēng)能，所以此時(shí)沒必要改變槳距角，其功率輸出完全取決于風(fēng)速及槳葉的氣動(dòng)性能，由于此階段風(fēng)力機(jī)工作在欠功率狀態(tài)，故整機(jī)效率并未達(dá)到最大。風(fēng)速增大，當(dāng)風(fēng)力機(jī)功率高于額定功率時(shí)，槳距角向迎風(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，相當(dāng)于增大槳距角β，減小攻角α，從而將功率輸出始終保持在額定功率值附近。

變槳距調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是在陣風(fēng)時(shí)，塔架、葉片、基礎(chǔ)受到的沖擊比失速調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要小很多，同時(shí)降低了材料使用率和整機(jī)重量。但它也有明顯的缺點(diǎn)：需要有一套比較復(fù)雜的槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，要求變槳距系統(tǒng)對(duì)陣風(fēng)有足夠快的響應(yīng)速度，減輕由于風(fēng)的波動(dòng)引起的功率脈動(dòng)。

3.主動(dòng)失速調(diào)節(jié)

主動(dòng)失速調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合，如圖2-9（c）所示。在高風(fēng)速時(shí)，變槳距控制是使槳葉順風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)以減小升力，功率的顯著降低需要槳距角較大的變化。而主動(dòng)失速調(diào)節(jié)方式是使槳葉逆風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)力機(jī)達(dá)到額定功率后，調(diào)節(jié)槳距角β使其向減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，由此相應(yīng)的攻角α增大使葉片失速效應(yīng)加深，從而限制風(fēng)能的捕獲。主動(dòng)失速控制只需較小的槳距角變化，敏感性很高，需要準(zhǔn)確地控制槳距角。

通過上述分析可知，槳距角控制器僅在高風(fēng)速時(shí)有效。此時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速不能再通過增加發(fā)電機(jī)功率來控制，否則會(huì)使發(fā)電機(jī)或變流器過載。因此，通過改變槳距角來限制風(fēng)輪的氣動(dòng)效率，防止風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過高，導(dǎo)致機(jī)械破壞。最優(yōu)槳距角在額定風(fēng)速時(shí)約為零，高于額定風(fēng)速，最優(yōu)槳距角隨風(fēng)速增加穩(wěn)定地增加。

變槳距風(fēng)力機(jī)的槳距角由槳距伺服來控制。主控制系統(tǒng)產(chǎn)生參考槳距角，槳距伺服是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)際控制風(fēng)力機(jī)槳葉旋轉(zhuǎn)到要求的角度。槳距伺服受結(jié)構(gòu)限制，如角度限制β_min和β_max，即葉片僅能在某物理限度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)主動(dòng)失速控制性風(fēng)力機(jī)，允許范圍是-90°～0°（甚至正角度），而對(duì)槳距控制型風(fēng)力機(jī)，允許角度為0°～90°（甚至負(fù)角度）。同理，應(yīng)該考慮到槳距角不能迅速改變，僅能以有限速率變化，而且由于現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片尺寸很大，此速率很低。一般來講，槳距控制型風(fēng)力機(jī)角度靈敏性較高，對(duì)它的調(diào)漿速度限制會(huì)比主動(dòng)失速控制型風(fēng)力機(jī)更高。槳距角變化的最大速率是3°/s～10°/s，取決于風(fēng)力機(jī)的尺寸。由于槳距角僅能緩慢變化，槳距角控制器工作的采樣頻率f_ps為1～3Hz。另外，變漿機(jī)構(gòu)應(yīng)盡可能的小，以利于節(jié)省成本。

圖2-10為槳距角控制器原理圖，采用比例控制器調(diào)節(jié)槳距角。用此控制器類型意味著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速允許超過其額定值一定量，這取決于選擇的K_p常數(shù)值。

圖2-10 槳距角控制器原理圖