2.4.2 風輪機的功率控制方式

為了避免高風速對風輪的損害，必須采用有效的方法控制作用在風輪上的氣動轉矩和限制風輪機的輸出功率。對風輪機輸出功率的控制方法有失速控制（被動控制）、變槳距角控制（主動控制）和主動失速控制。

1.失速控制（被動控制）

最簡單、最健壯和最廉價的控制方法是失速控制（被動控制），通常是針對定槳距風輪而設計的。定槳距風輪的葉片以一個固定的角度拴在輪轂的軸上，因此在額定風速下，風輪機的效率較低；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，自動地將功率限制在額定值附近，使轉子失去一部分功率，因而叫作失速控制。

失速控制的缺點是低風速下的效率低，無輔助啟動，在空氣密度和電網頻率發生變化時，最大靜態功率會發生變化。在失速控制的風輪機中，槳距角是固定的，輸出功率不能保持恒定；相反，失速效果導致在高風速范圍內輸出功率小于額定功率。失速調節的過程很復雜，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力發電機上應用。

2.變槳距角控制（主動控制）

變槳距角控制（主動控制），是指氣流對葉片的攻角可隨著風速的變化進行調整，從而改變風力發電機組從風中獲得的機械能。一般來說，這種控制方法的優點是可以對功率進行很好的控制，可以輔助啟動和進行緊急制動。

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。而變槳距角控制可以調節槳葉槳距角，使輸出功率保持穩定。這個方法的缺點是由于存在槳距角調節機構，結構較復雜，在高風速下功率波動較大。由于陣風和槳距角調節機構的限速，瞬時功率會在平均額定功率附近發生波動。

3.主動失速控制

主動失速控制是失速控制和變槳距角控制的結合，它在低風速和高風速下都可以對輸出功率進行控制。低風速時，將槳距角調節到最佳以獲得更高的氣動效率；高風速時，以與低風速時相反的方向來調節槳距角。主動失速控制的實質是使葉片攻角發生變化，從而引起更深層次的失速。主動失速風輪可以獲得平滑的有限的功率，不會像變槳距角控制風輪那樣產生大的功率波動。這種控制方法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制動。

主動失速控制的風輪機在原理上是一個具有槳距角調節機構的失速控制風輪機。失速控制風輪機和主動失速控制風輪機的區別在于：主動失速控制風輪機有一個可以控制失速效果的槳距角控制系統。另外，功率因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。主動失速控制風輪機的運行模式有兩種：功率優化和功率限制。

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，對風輪機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；在給定的風速下，通過求出對應于最佳功率因數C_p-opt的槳距角來對功率進行優化；當風速變化時，通過改變發電機的轉速來改變葉尖速比，以對功率進行優化。風速是在某個時間范圍內的平均值，對槳距角進行調節以實現在平均風速時跟蹤最大功率因數。功率優化是一個開環控制，因為沒有來自槳距角和功率對風速的反饋。

圖2.8所示為不同風速時功率因數C_p與槳距角β的關系曲線，可以看出，在低風速時，C_p-β曲線在最大值處呈尖峰狀，即C_p對偏離最佳槳距角β的微小變化很敏感；在高風速時，曲線的頂部變得平坦些，即風速稍微變化和偏離最佳槳距角對最佳功率因數沒有太大的影響。因此，低風速時的最佳槳距角應該精確求出。

調節槳距角時，應該根據平均風速而非瞬時風速值，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，此方法在風輪機控制器中經常用到。只有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功率，或風速超過額定風速時，功率限制模式就會起作用。在功率限制模式下，功率控制采用閉環控制，將測量到的發電機平均功率和風輪機功率的設定值進行比較，在正常運行時，該設定值一般是風輪機的額定值。

若平均功率超過設定值，則槳距角按負方向增加以增強失速效果，從而限制輸出功率；若平均功率低于設定值，則槳距角按正方向增加以減弱失速效果，以增加輸出功率。圖2.9所示為在額定風速到切出風速的范圍內獲得恒定功率時的槳距角調節。