1.3　風輪功率控制

1.3.1　定槳距風輪與變槳距風輪

所謂定槳距風輪，就是葉片安裝好后安裝角不再發生變化。定槳距風輪一般設計有可控的葉尖擾流器，可旋轉90°形成阻尼板，當風電機組需要脫網時可使機組制動。失速型定漿距風輪的整體結構簡單、部件少、造價低，并具有較高的安全系數，利于市場競爭。但失速型葉片成型工藝較復雜，葉片的失速特性不好控制，不利于向大機組發展。

變槳距風輪是為了適應不同的風速，使其在不同風速下都有較高的功率系數而設計的。根據風輪的功率特性，如果在某一風速下有較高的功率系數，則在其他風速下功率系數會下降。如果隨著風速的變化，調節整個槳葉的安裝角，則有可能在較大的風速范圍內都可以獲得較高的功率系數，從而可以獲得最大功率輸出。

變漿距型風輪能使葉片的安裝角隨風速變化而變化，從而使風輪在各種工況下（啟動、正常運轉、停機）按最佳參數運行。它可以使發電機在額定風速以下的工作區間輸出較大的功率，而在額定風速以上高風速區間不超載，因此發電機不需要大的過載能力。它的缺點是需要有一套比較復雜的變槳距調節結構。

1.3.2　風輪功率控制方式

為了避免高風速對風輪帶來的損害，可以采用不同的控制方法控制作用在風輪上的氣動轉矩和限制風輪的輸出功率。對風輪輸出功率的控制方法有失速控制（被動控制）、變槳距控制（主動控制）和主動失速控制。

1.3.2.1　失速控制

失速控制是最常用的控制方法，葉片以一個固定的角度安裝在輪轂的軸上。因此在額定風速下，風輪的效率較低。而當風速超過額定風速時，槳葉依賴于葉片獨特的翼型結構，使流過葉片的氣流產生紊流而降低葉片的利用效率，自動將功率限制在額定值附近，使轉子失去一部分功率，因此這種控制方式稱為失速控制。氣動功率調整的速度比較慢，比快速槳距功率調整引起的功率波動小。這種控制方式的缺點是在低風速下效率低，無輔助啟動，在空氣密度和電網頻率發生變化時，最大靜態功率發生變化。失速控制的過程很復雜，特別是風速不穩定時的精確計算很困難，所以只在兆瓦級以下的風機中得到應用。

1.3.2.2　變槳距控制

變槳距控制的原理是氣流對葉片的攻角可隨著風速的變化而進行調整，從而改變風電機組從風中獲得的機械能。這種控制方法的優點是可以對功率進行很好的控制，并可以輔助啟動和緊急剎車。從發電效率來看，優良的功率控制意味著在高風速下輸出功率的平均值總是接近發電機的額定功率。而變槳距控制可以調節槳葉槳距角，使輸出功率保持穩定。該控制方式的缺點是由于存在槳距機構，結構復雜，在高風速下功率波動較大。由于陣風和槳距機構下的限速，瞬時功率將會在平均額定功率附近發生波動。

1.3.2.3　主動失速控制

主動失速控制是失速控制和變槳距控制的結合，它在低風速下和高風速下都可以對輸出功率進行控制。在低風速下，將槳距角調節到最佳槳距角以獲得更高的氣動效率；在高風速下，風力機按照與低風速時變槳距調節的相反方向來調節槳距角。這種主動失速控制的實質是葉片攻角發生了變化，從而引起更深層次的失速。主動失速控制的風力機可以獲得平滑的、有限的功率，不會像變槳距控制風力機那樣產生大的功率波動。這種控制方式的優點是能夠補償空氣密度的變化，容易啟動并容易實現緊急剎車。

主動失速控制風輪在原理上是一個具有變槳距機構的失速控制風輪。失速控制風輪和主動失速控制風輪的區別在于后者有一個可以控制失速效果的變槳距角觸動系統；另外，功率系數可以在某個范圍內進行優化。當風速在啟動風速和額定風速之間時，槳距角按最佳輸出功率調節到最佳位置；當風速超過額定風速時，通過利用失速效果將輸出功率限制在額定功率。為了獲得平坦的功率曲線，即在額定風速到切出風速之間得到恒定的額定功率，必須相應地對槳距角進行調節。主動失速控制風輪的運行模式有功率優化和功率限制兩種。

1.功率優化

當風速低于額定風速且輸出功率低于額定功率時，對風輪輸出功率進行控制的目標是實現最大功率點跟蹤以捕獲最大風能。通過在給定的風速下求出對應于最佳功率系數CPmax的槳距角，同時當風速變化時改變風輪的轉速來改變葉尖速比來對功率進行優化。由于風速是在某一個時間范圍內的平均值，因此對槳距角進行調節只能獲得平均風速時的最大功率系數。功率優化是一個開環控制，不需要來自槳距角和功率對風速的反饋量，控制簡單。

圖1-5所示為在不同風速下風能利用系數CP與槳距角β的關系曲線，可以看出：在低風速時，CP—β的關系曲線在CP最大值處相當尖，即CP對偏離最佳槳距角β的小小的變化都是很敏感的；在高風速時，曲線在頂部變得平坦些，即風速稍微變化和偏離最佳角對最佳功率系數沒有太大的影響。因此，低風速時的最佳槳距角應該精確地求出。

調節槳距角時應該根據平均風速值而不是根據瞬時風速值，因此要使用平均移動法求出平均風速。平均移動法實際上是一個過濾風速信號的方法，此方法常用于風力機控制器中。在風速超過額定風速或功率超過額定功率時，槳距角控制系統才起作用。

2.功率限制

當輸出功率超過額定值，或風速超過額定值時，功率限制模式就起作用。在功率限制模式中，功率控制采用閉環控制，將測量到的發電機平均功率和風力機功率的設定值進行比較，在正常運行時，風輪功率的設定值一般是風輪的額定值。若平均功率超過設定值，槳距角按負方向增加以增加失速效果，因此限制輸出功率；若平均功率低于設定值，槳距角按正方向增加以降低失速效果，因此增加輸出功率。圖1-6所示為在額定風速和切出風速范圍內獲得恒定功率時槳距角的調節。