水平軸風力機槳距角功率調節研究

摘要：文章介紹了槳距角和葉尖速比對風能利用系數的影響，分析了水平軸風力機定槳距角失速功率調節和變槳距角功率調節控制技術原理，通過實例提出了最大功率系數與最佳葉尖速比的選取方法，驗證了某風機在穩定工況下變槳距角功率調節控制原理。

關鍵詞：風能利用系數；葉尖速；槳距角；功率調節

1 前言

由于風具有隨機性和不穩定性，為了保證風機能夠將隨機的風能轉化成穩定輸出的電能，需要對風機進行功率調節。在實際運行過程中，風掃過葉輪并不能將所有的風能都轉化為機械能，當風機在欠功率下運行時，研發人員希望能夠最大限度地利用風能；反之，當風速超過額定風速后，如果不采取相應措施，風機輸出功率將會超過額定功率，必須采取相應的卸載措施，以保證風機能夠在穩定的額定功率狀態下運行，這樣可以有效地避免因載荷過大從而使機組受到破壞的危險。

2 風能利用系數

風輪系統將來流風的風能轉化為其旋轉的機械能，由發電機將旋轉的機械能轉化成電能。事實上，風力機不可能全部吸收風輪掃掠面的所有風能，故引入了風能利用系數CP，它的最大值是貝茲極限[1]Cpmax=0.593，風能利用系數Cp是槳距角?茁和尖速比?姿的函數。其計算表達式如下：

(1)

在槳距角?茁一定的情況下，隨著葉尖速比的變化，存在一個的風能利用系數最大值]Cpmax，且其值在0.5左右。同時，對于任意的葉尖速比?姿，槳距角?茁在0°下風能利系數相對較大，隨著槳距角的不斷增大，風能利用系逐漸降低。

3 定槳距失速功率調節與變槳距功率調節

3.1 定槳距失速功率調節

該風力發電機組的主要結構特點是[2]：風輪的槳葉與輪轂是剛性連接，不論來流風速有多大，槳葉迎風角度保持恒定。其技術原理是來流風流經葉片時，由于不同的上下翼面，氣流在葉片彎曲面加速，該面上的壓力降低；在葉片凹面流速減慢，該面上的壓力升高。葉片兩個面上產生的壓差就形成了升力?，F假定槳距角?茁保持不變，來流風速v開始增加，攻角?琢隨之增大。起初，升力會隨著攻角的增大而增大，當攻角?茁達到某一值后，在翼型尾緣氣流區形成大的渦流，流動失去了翼型效應。與未分離相比，兩翼面壓力差減小，升力降低，阻力增大，葉片因此失速，有效地限制了功率的增加。

定槳距失速調節沒有功率反饋系統和變槳距角伺服執行機構，整機結構簡單，造價低，具有較高的安全系數；依靠葉片的失速特性控制功率，在來流風速大于額定風速時，依然能夠確定電機輸出功率不大于額定值，有效避免飛車現象。其缺點是：無法最有效地利用風能，翼型的結構要求很高，給成型工藝上帶來很大的難度，很少應用在兆瓦級以上的大型風場中。

3.2 變槳距功率調節

變槳距風力發電機組的控制系統是把風速信號作為控制系統的輸入變量來進行轉速和功率控制[3]，通常應用在大型風力發電機組中，以下給出變槳距角功率調節控制的實現[4]。

根據風力發電機組在不同的風速范圍運行情況，可以將其基本控制規定如下：風機在低于額定風速以下運行時，根據Cp(?茁，?姿) 曲線，始終保持Cpmax最大，從而保證風機捕獲最大的能量；當風機高于額定風速運行并達到額定功率時，增加槳距角來減少吸收的風能，以保證風機在額定功率下平穩運行。

一般情況下，風機啟動前是處于空轉狀態，即各葉片的槳距角處于90°，當風速達到開機風速后，葉片槳距角不斷減小至某一合適角度，使風輪具有最大的起動力矩，風力發電機組更容易起動，風輪轉速由零逐漸增大到發電機可并網的轉速，此時風力發電機組并網發電。

風機在欠功率的狀態下運行時，根據Cp(?茁，?姿)曲線，并通過對發電機轉速控制，使葉尖速度與輪轂中心處的風速比（葉尖速比?姿）為恒定值即Cp取最大值Cpmax，使風能利用效率最大，這時整個機組在最佳的狀態下運行。隨著風速的增大，風輪轉速也相應的同步增大，當轉速達到額定轉速后，風輪轉速在該速度下保持恒定運行。

當功率達到額定值后，發電機組進入了功率恒定區，這時如果風速繼續增大，Cp要相應的減小，即各葉片的槳距角要相應的增大，從而使風機在低于Cpmax的條件下能夠平穩的保證額定功率的輸出。

變槳距調節風力機在各種風況中其結構受到的沖擊要小，可縮減材料，降低成本。該型風力機的槳距角可以隨風速的變化而變化，保證風機在各種工況下運行時，各運行參數達到最佳，大于額定風速工作時也不會超載，因此對發電機的承載能力要求也不是很大。當然變槳距調節對陣風的反應要求靈敏，對于風引起的功率脈動比較大，對變槳距調節機構要求比較高，從而保證足夠快地應對陣風的響應速度。

4 實例分析

本文以某臺風力發電機為例，基于Bladed平臺，對其穩定工況下變槳距角功率調節進行了實例分析，給出各風速參數，見表1。

表1 風機風速參數

圖1所示，不同槳距角下功率系數是隨著葉尖速比的變化而變化，對于該風機，給出的是槳距角0°，2°，5°，8°，10°度下的Cp(?茁，?姿)曲線，每條曲線下都有一個最大的風能利用系數，但只有在槳距角為0°的情況下整個風機的功率系數達到最大值0.4898，此時對應的最佳葉尖速比為10.1。因此在風機槳距角設計時，在低于額定功率下風機槳距角始終保持定值0°，使風機能夠最大地利用風能；額定風速以后，隨著風速的增大槳距角相應的增大，目的是卸掉多余的風能使風機能夠平穩地輸出額定功率。風速與槳距角控制要求見圖2。

根據IEC61400標準中對風的規定，現給出正常湍流模型(NTM)，平均風速16m/s，風機正常運行條件下槳距角的變化，見圖3-圖5。

從圖3-圖5可以看出，當風速高于11.6m/s時，為了保證風機穩定地輸出額定功率，槳距角會調整一個合適的角度以卸掉多余的載荷，槳距角槳距角的控制以圖2為依據，從而驗證了風機變槳功率調節控制原理。

5 結束語

槳距角調節是風機功率輸出控制中重要組成部分，該參數直接影響了風能利用率；變槳距功率調節在大型風機中的應用，確保了風電機組最大限度地利用風能，且保證了風機平穩地輸出電能，降低了葉片氣動疲勞載荷及結構強度的要求。當然，風機設計是一項綜合性的工程設計，在設計中應予以全面考慮各影響因素。

參考文獻

[1]武鑫等譯.風能技術[M].北京：科學技術出版社，2007，41.

[2]劉萬琨，等.風能與風力發電技術[M].北京:化學工業出版社，2006，58-61.

[3]葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京:機械工業出版社，2002，11.

[4]劉勇.兆瓦級風力發電機組變槳距控制系統[J].電子技術，2009.2，4.