【文章內(nèi)容簡介】 空氣動(dòng)力剎車技術(shù)、偏航與自動(dòng)解纜技術(shù)，這些都是并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)就已確定。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速則由電網(wǎng)頻率決定。因此，在允許的風(fēng)速范圍內(nèi)，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中對于因風(fēng)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(shù)和相應(yīng)的伺服傳動(dòng)技術(shù)。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)可對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可對功率進(jìn)行控制，使風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著的改善。此時(shí)的液壓系統(tǒng)不再是簡單的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(gè)新的階段。 風(fēng)力機(jī)分類風(fēng)力發(fā)電機(jī)有多種類型和樣式，分類的方式也很多。如果以轉(zhuǎn)換風(fēng)能的主要部件風(fēng)輪來分，風(fēng)力機(jī)按照收集風(fēng)能的結(jié)構(gòu)形式以及在空間的布置，可分為兩類，一為水平軸風(fēng)力機(jī)；二為垂直軸風(fēng)力機(jī)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型(1)水平軸風(fēng)力機(jī) 水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸與地面呈水平狀態(tài)，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面垂至于風(fēng)向， (a)所示。用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)的類型對水平軸風(fēng)力機(jī)而言，按照風(fēng)輪與塔架相對位置分類，可有上風(fēng)向和下風(fēng)向的區(qū)別。風(fēng)輪安裝在塔架前面的，稱為上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)。風(fēng)輪塔架后面旋轉(zhuǎn)，氣流依次流經(jīng)塔架、風(fēng)輪，叫做下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)。上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)需要有對風(fēng)機(jī)構(gòu)，而下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)在風(fēng)的作用下自動(dòng)對準(zhǔn)風(fēng)向。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要通過塔架將其置于空中，以捕捉更多的風(fēng)能。調(diào)向機(jī)構(gòu)是用來調(diào)整風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與空氣流動(dòng)方向相對位置的機(jī)構(gòu)。 控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的中樞，由它完成機(jī)組的所有工作過程，并提供人機(jī)接口和遠(yuǎn)方監(jiān)控的接口。100kW以上的中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及1MW以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組皆配有微機(jī)或者可編程控制器(PLC)組成的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)控制、自檢、和顯示功能。 (2)垂直軸風(fēng)力機(jī) 垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸與地面呈垂直狀態(tài)，(b)所示。任何方向的風(fēng)都能驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，可以免去自動(dòng)對風(fēng)機(jī)構(gòu)，整體的機(jī)構(gòu)可以相對簡化。垂直軸風(fēng)力機(jī)的最突出的優(yōu)點(diǎn)是不需要塔架，發(fā)電機(jī)可以安裝在地面上，維護(hù)方便。垂直軸風(fēng)力機(jī)主要分為兩個(gè)主要類別：一是利用空氣動(dòng)力的阻力做功的S型風(fēng)輪，二是利用翼形升力做功的(Darrieus)型風(fēng)力機(jī)。由于捕獲風(fēng)能的能力弱，消耗材料多，占地面積大，所以目前商用大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。本文中所指的風(fēng)力機(jī)即水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 (3)變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力機(jī)依據(jù)風(fēng)速的大小，改變輪毅上槳葉節(jié)距角的大小，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)在高風(fēng)階段的輸出輸出功率，降低風(fēng)力劇變對風(fēng)力機(jī)的沖擊。其調(diào)節(jié)方法分為三個(gè)過程：第一個(gè)過程是開機(jī)階段，當(dāng)風(fēng)電機(jī)達(dá)到運(yùn)行條件時(shí)，控制器調(diào)節(jié)節(jié)距角。先將節(jié)距角調(diào)到45176。，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定時(shí)，再調(diào)節(jié)到0176。，直到風(fēng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電；第二階段，當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí)，節(jié)距角保持在0176。位置不變；第三階段，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率到達(dá)額定后，變槳距系統(tǒng)即根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整節(jié)距角的大小，使風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速高于額定風(fēng)速運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率基本保持不變。 變槳距調(diào)節(jié)的主要優(yōu)點(diǎn)是:槳葉受力較小，槳葉較輕，使得機(jī)組的承載結(jié)構(gòu)重量相對減少。由于節(jié)距角可以隨風(fēng)速的大小而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能多的捕獲風(fēng)能，又可以在高風(fēng)速時(shí)段保持輸出功率平穩(wěn)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故障率相對較高，設(shè)備價(jià)格也相對升高。目前通過采用變滑差發(fā)電機(jī)、葉片主動(dòng)失速等技術(shù)，減少了變槳距機(jī)構(gòu)的動(dòng)作次數(shù)，降低了變槳距軸承的機(jī)械磨損，同時(shí)使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比，優(yōu)化輸出功率。 風(fēng)力機(jī)的工作原理及其受力分析（1）靜止?fàn)顟B(tài)下葉片的受力 風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)的受力情況風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)過某個(gè)角度，即使得葉片的翼弦相對風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面(風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)槳葉柄所掃過的平面)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度β，即為節(jié)距角。風(fēng)力機(jī)在偏航系統(tǒng)控制下，保持風(fēng)輪軸向與風(fēng)向一致。參考空氣動(dòng)力學(xué)可知，當(dāng)空氣以某個(gè)速度V流經(jīng)風(fēng)輪時(shí)，槳葉I所受到的氣動(dòng)力為F；F可以分解成兩個(gè)方向的力:順著空氣流動(dòng)方向的分力Fx(阻力)及垂直于空氣流動(dòng)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(fēng)輪軸向產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，當(dāng)合力矩超過風(fēng)輪啟動(dòng)所需要的力矩時(shí)，風(fēng)輪即開始轉(zhuǎn)動(dòng)。 (2)轉(zhuǎn)動(dòng)情況下葉片的受力 假設(shè)在理想狀態(tài)下，風(fēng)速與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面保持垂直，當(dāng)風(fēng)輪在某個(gè)風(fēng)速V下以角速度為ω穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則取葉片上距轉(zhuǎn)軸中心r處一小段葉片元(葉素)為研究對象，來流風(fēng)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(shí)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(dòng)力F，參考葉輪靜止時(shí)受力分析，F(xiàn)可以分解為在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面內(nèi)使槳葉旋轉(zhuǎn)的力以及對風(fēng)輪正面的壓力。如果參考?xì)饬飨鄬εc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(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片不同位置處繞軸心線速度不同，在相同風(fēng)速下，相同的安裝角在不同的位置對風(fēng)形成的攻角a都將不同。如果葉片每個(gè)截面的安裝角隨半徑增大而減小，則整個(gè)葉片方向的攻角都能接近最佳值，使得葉片整體氣動(dòng)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(shí)際風(fēng)力機(jī)中應(yīng)用較多。 旋轉(zhuǎn)槳葉的氣流速度及受力情況盡管如此，由于風(fēng)速是在經(jīng)常變化的，風(fēng)速的變化也將導(dǎo)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(fēng)速下可能得到最好的氣動(dòng)力性能，但在其它風(fēng)速下則未必如此。為了適應(yīng)不同的風(fēng)速，可以隨著風(fēng)速的變化，調(diào)節(jié)整個(gè)葉片的安裝角，從而有可能在很大的風(fēng)速范圍內(nèi)均可以得到優(yōu)良的氣動(dòng)力特性，這樣的控制方式即變槳距控制。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從控制系統(tǒng)角度來看分為三個(gè)子系統(tǒng)：風(fēng)輪氣動(dòng)特性、傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和發(fā)電機(jī)模型。(1)風(fēng)輪氣動(dòng)特性在系統(tǒng)中，我們假定可變距的槳葉是剛性的，則風(fēng)輪吸收的功率為: （21） 風(fēng)輪的動(dòng)態(tài)模型由以下運(yùn)動(dòng)方程表示：　　　　　　 （22）其中: Jr一風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg/m2。 ωr一風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s。 Tr一風(fēng)輪的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 n一齒輪箱增速器的傳動(dòng)比。 Tm一從轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳遞給剛性齒輪的扭矩，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩與功率之間的關(guān)系為: （23）(2)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性風(fēng)輪將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成風(fēng)輪軸上的機(jī)械能，然后這個(gè)能量要變成所需要的電能，而電能由高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生。由于葉尖速度的限制，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度較慢，而發(fā)電機(jī)不能太重，而極對數(shù)較少，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速要盡可能的高，因此就要在風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)之間連接齒輪箱增速器，把轉(zhuǎn)速提高，達(dá)到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)風(fēng)輪氣動(dòng)特性，風(fēng)輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Tr作用于帶有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr的風(fēng)輪上。風(fēng)輪通過增速比為n的增速器連接到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg的發(fā)電機(jī)上，發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生一反扭矩Te。由于風(fēng)輪、輸入軸和增速器之間是剛性連接，因此忽略傳動(dòng)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(jī)本設(shè)計(jì)中所涉及到的發(fā)電機(jī)為繞線式三相異步發(fā)電機(jī)，因此是通過改變定子電壓而改變發(fā)電機(jī)反力矩和轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)變速的。 （24）其中: p 一發(fā)電機(jī)極對數(shù)；m1一電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rda/s；ω1一發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗，Ω；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方程為: （25）Jg一發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2；Te一發(fā)電機(jī)反力矩，Nm；風(fēng)輪軸角速度與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間關(guān)系由下式表示: （26） 變槳距控制理論研究 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距技術(shù)介紹風(fēng)力發(fā)電的失速功率調(diào)節(jié)方式和變槳距調(diào)節(jié)方式是收集和轉(zhuǎn)換風(fēng)能的兩種最主要功率調(diào)節(jié)方式。 失速功率調(diào)節(jié)方式機(jī)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(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、故障概率低，但是因?yàn)橄抻陲L(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能受到葉片失速性能，當(dāng)風(fēng)速高于額定值時(shí)發(fā)電功率會(huì)隨著風(fēng)速的升高而下降。另外槳葉結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量較重，不適合在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝使用。 變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)則沒有上述缺點(diǎn)。發(fā)電機(jī)組的葉片的攻角可以隨著風(fēng)速的變化始終保持在最佳角度，使風(fēng)輪運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)換效率，使輸出功率最大。 對于變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)組的出力會(huì)始終保持在一個(gè)接近理想化的水平，提高了發(fā)電效率。同時(shí)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，適合安裝在大型發(fā)電機(jī)組上。 變槳距風(fēng)力機(jī)組的缺點(diǎn)是變槳距機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，增加了故障的可能性，控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜，要求更高的技術(shù)水平，但是隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)得到較好的解決。 變槳距控制機(jī)構(gòu)主要分為統(tǒng)一槳葉控制和獨(dú)立槳葉控制，其中統(tǒng)一槳葉控制主要使用液壓方案，獨(dú)立槳葉控制主要使用電機(jī)方案。 液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過液壓系統(tǒng)推動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，改變槳葉節(jié)距角。該機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是頻率響應(yīng)快、功率重量比大，目前變槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中主要使用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 電機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用電動(dòng)機(jī)對槳葉進(jìn)行單獨(dú)控制，和液壓變槳距機(jī)構(gòu)相比，電機(jī)變槳距方案結(jié)構(gòu)相對簡單，不存在非線性、泄漏、卡澀等現(xiàn)象。但其動(dòng)態(tài)特性相對較差，有較大的慣性，特別是對于大功率風(fēng)力機(jī)。在風(fēng)速變化頻繁，連續(xù)頻繁地調(diào)節(jié)槳葉時(shí)，電機(jī)將產(chǎn)生過量的熱負(fù)荷而易于損壞。 變槳距控制理論風(fēng)能利用系數(shù)Cp代表了風(fēng)力機(jī)從風(fēng)能中獲得能量的能力。變槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)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(guān)系。 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性曲線（CpTSR）對節(jié)距角β和尖速比λ在大范圍內(nèi)取值計(jì)算，可以畫出變槳距風(fēng)力機(jī)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(diǎn)結(jié)論： (1)在節(jié)距角β不變的情況下，風(fēng)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(shí)風(fēng)能利用系數(shù)Cp最大，并且風(fēng)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(diǎn)的歸納，為風(fēng)力機(jī)變槳距控制提供了理論依據(jù)。在風(fēng)速低于額定風(fēng)諫時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率未達(dá)到額定功率，應(yīng)盡可能地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為輸出的電能。，在槳葉節(jié)距角β=0176。時(shí)，Cp相對最大。此時(shí)由于槳距控制機(jī)構(gòu)的控制精度的原因，節(jié)距角在0176。左右變動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，增大槳葉節(jié)距角β，風(fēng)能利用系數(shù)Cp減小，發(fā)電機(jī)輸出功率降低；當(dāng)功率下降小于額定功率時(shí)，再減小槳葉節(jié)距角β，以此保證了風(fēng)力機(jī)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(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，、。 變槳距控制系統(tǒng)框圖（啟動(dòng)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(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)分析，變槳距的控制過程如下:風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)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(dāng)風(fēng)速增大到切入風(fēng)速時(shí)，由控制機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)槳葉向從90176。向0176。方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)氣流相對槳葉的攻角到達(dá)某個(gè)角度，作用在槳葉上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩超過葉輪啟動(dòng)所需要的力矩時(shí)，葉輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)。在電機(jī)并網(wǎng)以前，變槳距系統(tǒng)對葉輪進(jìn)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(diào)整節(jié)距角。并網(wǎng)后，風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行最重要的有這樣兩個(gè)工況：(1)風(fēng)速低于額定風(fēng)速；(2)風(fēng)速高于額定