【文章內容簡介】 空氣動力剎車技術、偏航與自動解纜技術，這些都是并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組需要解決的最基本的問題。由于功率輸出是由槳葉自身的性能來限制，槳葉的節(jié)距角在安裝時就已確定。發(fā)電機的轉速則由電網(wǎng)頻率決定。因此，在允許的風速范圍內，定槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)在運行過程中對于因風速變化引起的輸出能量的變化是不作任何控制的。這就大大簡化了控制技術和相應的伺服傳動技術。變槳距風力發(fā)電機組啟動時可對轉速進行控制，并網(wǎng)后可對功率進行控制，使風力機的啟動性能和功率輸出特性都有顯著的改善。此時的液壓系統(tǒng)不再是簡單的執(zhí)行機構，它自身已組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了電液比例閥或電液伺服閥，使控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階段。 風力機分類風力發(fā)電機有多種類型和樣式，分類的方式也很多。如果以轉換風能的主要部件風輪來分，風力機按照收集風能的結構形式以及在空間的布置，可分為兩類，一為水平軸風力機；二為垂直軸風力機。 風力發(fā)電機類型(1)水平軸風力機 水平軸風力機的風輪軸與地面呈水平狀態(tài)，風力機運行時，風輪的旋轉平面垂至于風向， (a)所示。用于風力發(fā)電的風力機一般葉片數(shù)取24，普遍采用全翼展或者1/3翼展槳距控制或葉尖失速控制。 水平軸風力機的類型對水平軸風力機而言，按照風輪與塔架相對位置分類，可有上風向和下風向的區(qū)別。風輪安裝在塔架前面的，稱為上風向風力機。風輪塔架后面旋轉，氣流依次流經(jīng)塔架、風輪，叫做下風向風力機。上風向風力機需要有對風機構，而下風向風力機在風的作用下自動對準風向。水平軸風力發(fā)電機需要通過塔架將其置于空中，以捕捉更多的風能。調向機構是用來調整風力機風輪葉片旋轉平面與空氣流動方向相對位置的機構。 控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機組的中樞，由它完成機組的所有工作過程，并提供人機接口和遠方監(jiān)控的接口。100kW以上的中型風力發(fā)電機以及1MW以上的大型風力發(fā)電機組皆配有微機或者可編程控制器(PLC)組成的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)控制、自檢、和顯示功能。 (2)垂直軸風力機 垂直軸風力機的風輪轉軸與地面呈垂直狀態(tài)，(b)所示。任何方向的風都能驅動其轉動，可以免去自動對風機構，整體的機構可以相對簡化。垂直軸風力機的最突出的優(yōu)點是不需要塔架，發(fā)電機可以安裝在地面上，維護方便。垂直軸風力機主要分為兩個主要類別：一是利用空氣動力的阻力做功的S型風輪，二是利用翼形升力做功的(Darrieus)型風力機。由于捕獲風能的能力弱，消耗材料多，占地面積大，所以目前商用大型風力發(fā)電機組主要是水平軸風力發(fā)電機。本文中所指的風力機即水平軸風力發(fā)電機。 (3)變槳距調節(jié)型風力發(fā)電機風力機依據(jù)風速的大小，改變輪毅上槳葉節(jié)距角的大小，調節(jié)發(fā)電機在高風階段的輸出輸出功率，降低風力劇變對風力機的沖擊。其調節(jié)方法分為三個過程：第一個過程是開機階段，當風電機達到運行條件時，控制器調節(jié)節(jié)距角。先將節(jié)距角調到45176。，當轉速達到一定時，再調節(jié)到0176。，直到風電機達到額定轉速并網(wǎng)發(fā)電；第二階段，當輸出功率小于額定功率時，節(jié)距角保持在0176。位置不變；第三階段，當發(fā)電機輸出功率到達額定后，變槳距系統(tǒng)即根據(jù)輸出功率的變化調整節(jié)距角的大小，使風力機在風速高于額定風速運行時，發(fā)電機的輸出功率基本保持不變。 變槳距調節(jié)的主要優(yōu)點是:槳葉受力較小，槳葉較輕，使得機組的承載結構重量相對減少。由于節(jié)距角可以隨風速的大小而進行自動調節(jié)，因而能夠盡可能多的捕獲風能，又可以在高風速時段保持輸出功率平穩(wěn)。其缺點是結構比較復雜，故障率相對較高，設備價格也相對升高。目前通過采用變滑差發(fā)電機、葉片主動失速等技術，減少了變槳距機構的動作次數(shù)，降低了變槳距軸承的機械磨損，同時使其盡量運行在最佳葉尖速比，優(yōu)化輸出功率。 風力機的工作原理及其受力分析（1）靜止狀態(tài)下葉片的受力 風力機啟動時的受力情況風力發(fā)電機的葉輪轉動部分由輪毅和槳葉組成，其中槳葉均勻安裝在輪毅周圍，一般為2到3片。槳葉圍繞自身軸線轉過某個角度，即使得葉片的翼弦相對風輪旋轉平面(風輪旋轉時槳葉柄所掃過的平面)轉過一個角度β，即為節(jié)距角。風力機在偏航系統(tǒng)控制下，保持風輪軸向與風向一致。參考空氣動力學可知，當空氣以某個速度V流經(jīng)風輪時，槳葉I所受到的氣動力為F；F可以分解成兩個方向的力:順著空氣流動方向的分力Fx(阻力)及垂直于空氣流動方向的分力Fy(升力)。由于葉輪是對稱安裝的，另一槳葉II受力分析同上，故所有葉片升力Fy將對風輪軸向產(chǎn)生轉動力矩，當合力矩超過風輪啟動所需要的力矩時，風輪即開始轉動。 (2)轉動情況下葉片的受力 假設在理想狀態(tài)下，風速與風輪旋轉面保持垂直，當風輪在某個風速V下以角速度為ω穩(wěn)定轉動時，則取葉片上距轉軸中心r處一小段葉片元(葉素)為研究對象，來流風速V與該葉片元繞輪毅軸向線速度ωr的矢量和即為此葉片元相對氣流的速度。，此時槳葉與該葉片元的攻角。是ωr與翼弦的夾角。氣流以相對速度ωr吹向葉片元，在葉片上產(chǎn)生氣動力F，參考葉輪靜止時受力分析，F(xiàn)可以分解為在風輪旋轉面內使槳葉旋轉的力以及對風輪正面的壓力。如果參考氣流相對與葉片元的方向，F(xiàn)可分解為垂直于ωr方向的升力Fy和沿ωr方向阻力Fx。考慮到風輪旋轉時，葉片不同位置處繞軸心線速度不同，在相同風速下，相同的安裝角在不同的位置對風形成的攻角a都將不同。如果葉片每個截面的安裝角隨半徑增大而減小，則整個葉片方向的攻角都能接近最佳值，使得葉片整體氣動力性能得到改善。這種安裝角沿葉片方向變化的葉片稱為螺旋槳型葉片，在實際風力機中應用較多。 旋轉槳葉的氣流速度及受力情況盡管如此，由于風速是在經(jīng)常變化的，風速的變化也將導致攻角的變化。如果葉片裝好后安裝角不再變化，那么雖在某一風速下可能得到最好的氣動力性能，但在其它風速下則未必如此。為了適應不同的風速，可以隨著風速的變化，調節(jié)整個葉片的安裝角，從而有可能在很大的風速范圍內均可以得到優(yōu)良的氣動力特性，這樣的控制方式即變槳距控制。 風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)風力發(fā)電機組從控制系統(tǒng)角度來看分為三個子系統(tǒng)：風輪氣動特性、傳動系統(tǒng)動態(tài)特性和發(fā)電機模型。(1)風輪氣動特性在系統(tǒng)中，我們假定可變距的槳葉是剛性的，則風輪吸收的功率為: （21） 風輪的動態(tài)模型由以下運動方程表示：　　　　　　 （22）其中: Jr一風輪的轉動慣量，kg/m2。 ωr一風輪轉動的角速度，rad/s。 Tr一風輪的氣動轉矩。 n一齒輪箱增速器的傳動比。 Tm一從轉動軸傳遞給剛性齒輪的扭矩，風輪轉矩與功率之間的關系為: （23）(2)傳動系統(tǒng)動態(tài)特性風輪將風的動能轉換成風輪軸上的機械能，然后這個能量要變成所需要的電能，而電能由高速旋轉的發(fā)電機來產(chǎn)生。由于葉尖速度的限制，風輪旋轉速度較慢，而發(fā)電機不能太重，而極對數(shù)較少，發(fā)電機轉速要盡可能的高，因此就要在風輪與發(fā)電機之間連接齒輪箱增速器，把轉速提高，達到發(fā)電機的轉速。根據(jù)風輪氣動特性，風輪產(chǎn)生的轉矩Tr作用于帶有轉動慣量Jr的風輪上。風輪通過增速比為n的增速器連接到轉動慣量Jg的發(fā)電機上，發(fā)電機將產(chǎn)生一反扭矩Te。由于風輪、輸入軸和增速器之間是剛性連接，因此忽略傳動系統(tǒng)中的總摩擦力和輸出軸上的相對角位移。(3)發(fā)電機本設計中所涉及到的發(fā)電機為繞線式三相異步發(fā)電機，因此是通過改變定子電壓而改變發(fā)電機反力矩和轉速來實現(xiàn)變速的。 （24）其中: p 一發(fā)電機極對數(shù)；m1一電機定子相數(shù)；U1一電網(wǎng)電壓，V；C1一修正系數(shù)；ωg一發(fā)電機轉動的角速度，rda/s；ω1一發(fā)電機同步轉速，rda/s；r1，xl一分別為定子繞組的電阻和漏抗，Ω；r2, x2 一分別為歸算后轉子繞組的電阻和漏抗，Ω；發(fā)電機轉動方程為: （25）Jg一發(fā)電機的轉動慣量，kgm2；Te一發(fā)電機反力矩，Nm；風輪軸角速度與發(fā)電機轉速之間關系由下式表示: （26） 變槳距控制理論研究 風力發(fā)電機變槳距技術介紹風力發(fā)電的失速功率調節(jié)方式和變槳距調節(jié)方式是收集和轉換風能的兩種最主要功率調節(jié)方式。 失速功率調節(jié)方式機組的葉片是固定在輪毅上，不能改變節(jié)距角，通過失速型葉片自身的失速特性來實現(xiàn)功率調節(jié)。優(yōu)點是結構簡單、故障概率低，但是因為限于風力發(fā)電機組的性能受到葉片失速性能，當風速高于額定值時發(fā)電功率會隨著風速的升高而下降。另外槳葉結構復雜、重量較重，不適合在大型風力發(fā)電機組安裝使用。 變槳距功率調節(jié)技術則沒有上述缺點。發(fā)電機組的葉片的攻角可以隨著風速的變化始終保持在最佳角度，使風輪運行在最佳轉換效率，使輸出功率最大。 對于變槳距風力發(fā)電機，當風速超過額定風速時，發(fā)電機組的出力會始終保持在一個接近理想化的水平，提高了發(fā)電效率。同時變槳距風力發(fā)電機的葉片結構簡單、重量輕、發(fā)電機轉動慣量小，適合安裝在大型發(fā)電機組上。 變槳距風力機組的缺點是變槳距機構較為復雜，增加了故障的可能性，控制系統(tǒng)也更加復雜，要求更高的技術水平，但是隨著風電技術的進步已經(jīng)得到較好的解決。 變槳距控制機構主要分為統(tǒng)一槳葉控制和獨立槳葉控制，其中統(tǒng)一槳葉控制主要使用液壓方案，獨立槳葉控制主要使用電機方案。 液壓執(zhí)行機構通過液壓系統(tǒng)推動槳葉轉動，改變槳葉節(jié)距角。該機構的主要優(yōu)點是頻率響應快、功率重量比大，目前變槳距驅動機構中主要使用液壓執(zhí)行機構。 電機變槳距執(zhí)行機構利用電動機對槳葉進行單獨控制，和液壓變槳距機構相比，電機變槳距方案結構相對簡單，不存在非線性、泄漏、卡澀等現(xiàn)象。但其動態(tài)特性相對較差，有較大的慣性，特別是對于大功率風力機。在風速變化頻繁，連續(xù)頻繁地調節(jié)槳葉時，電機將產(chǎn)生過量的熱負荷而易于損壞。 變槳距控制理論風能利用系數(shù)Cp代表了風力機從風能中獲得能量的能力。變槳距風力機的風能利用系數(shù)Cp與尖速比λ和槳葉的節(jié)距角β成非線性關系。 變槳距風力發(fā)電機特性曲線（CpTSR）對節(jié)距角β和尖速比λ在大范圍內取值計算，可以畫出變槳距風力機特性曲線(Cp TSR)。 (a)由PROPPC編碼的三維圖。(b)為其平面圖。從上圖可以得到兩點結論： (1)在節(jié)距角β不變的情況下，風能利用系數(shù)存在極限值，此處為最大值Cpmax。 (2)在尖速比λ保持不變的情況下，節(jié)距角β=0176。時風能利用系數(shù)Cp最大，并且風能利用系數(shù)Cp隨著槳葉節(jié)距角β增大而減小。 以上兩點的歸納，為風力機變槳距控制提供了理論依據(jù)。在風速低于額定風諫時，發(fā)電機輸出功率未達到額定功率，應盡可能地將風能轉化為輸出的電能。，在槳葉節(jié)距角β=0176。時，Cp相對最大。此時由于槳距控制機構的控制精度的原因，節(jié)距角在0176。左右變動。當風速超過額定風速時，增大槳葉節(jié)距角β，風能利用系數(shù)Cp減小，發(fā)電機輸出功率降低；當功率下降小于額定功率時，再減小槳葉節(jié)距角β，以此保證了風力機輸出功率維持在額定值。 變槳距控制過程變槳距控制系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，、。 變槳距控制系統(tǒng)框圖（啟動狀態(tài)） 變槳距控制系統(tǒng)框圖(額定功率狀態(tài)) 針對變槳距風力機動力學分析，變槳距的控制過程如下:風力機啟動前，槳葉保持順槳位置，其節(jié)距角為90176。，氣流對槳葉攻角為0176。，不產(chǎn)生力矩。當風速增大到切入風速時，由控制機構驅動槳葉向從90176。向0176。方向轉動，當氣流相對槳葉的攻角到達某個角度，作用在槳葉上的轉動力矩超過葉輪啟動所需要的力矩時，葉輪開始轉動。在電機并網(wǎng)以前，變槳距系統(tǒng)對葉輪進行速度控制?？刂破靼此俣壬仙甭式o出速度參考值，變距系統(tǒng)根據(jù)此值，調整節(jié)距角。并網(wǎng)后，風力機正常運行最重要的有這樣兩個工況：(1)風速低于額定風速；(2)風速高于額定