风轮气动功率的优化调节方法

气动功率调节是风力发电机组的关键技术之一。风力发电机组在超过额定风速（一般为12～16m/s）以后，由于机械强度和发电机、变频器容量等物理性能的限制，必须降低风轮的能量捕获，使功率输出保持在额定值附近，同时减少叶片承受载荷和整个风力机受到的冲击，保证风力机不受损害。功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节三种方式，调节原理如图2-22和图2-23所示。图2-22中（a）、（b）、（c）分别为叶片静止、正常运行、风速大于额定风速三种情况时的风轮气流特性图。

图2-23中，vw为轴向风速；β为桨距角即桨叶回转平面与桨叶截面弦长之间的夹角；α为攻角，相对气流速度与弦线间的夹角；F是作用在桨叶上的力，该力可以分解为Fd和Fl两部分，Fl与vw垂直，称为驱动力，使桨叶旋转。Fd与vw平行，称为推力，作用在塔架上。

图2-22　失速调节风力机风轮气流特性

（a）撕裂气流；（b）紧贴气流；（c）撕裂气流（失速）

图2-23　气动功率调节原理图

（a）定桨距失速；（b）变桨距；（c）主动失速

1.定桨距失速调节

定桨距是指风轮的桨叶与轮毂刚性连接。当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因突面的弯曲而使气流加速，压力较低，凹面较平缓而使气流速度减缓，压力较高，因而产生升力。图2-23（a）中桨距角β不变，随着风速增加攻角α增大，分离区形成大的涡流，流动失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减小，致使阻力增加，升力减少，造成叶片失速，从而限制了功率的增加。因此，定桨距失速控制没有功率反馈系统和变桨距执行机构，因而整机结构简单，部件少，造价低，并具有较高的安全系数。但失速控制方式依赖于叶片独特的翼型结构，叶片本身结构较复杂，成型工艺难度也较大，随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力大，使得叶片的刚度减弱，失速动态特性不易控制，所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机。(www.xing528.com)

2.变桨距调节

变桨距型风电机组能使风轮叶片的安装角随风速而变化。图2-23（b）中，当发电功率高于额定功率时，桨距角β向迎风面积减小的方向转动一个角度，相当于增大桨距角β，减小攻角α使叶片失速效率加深，从而使发电功率下降。变桨距调节的风力发电机在阵风时，塔架、叶片、基础受到的冲击较之失速调节型风力发电机组要小得多，可减少材料使用率，降低整机重量。它的缺点是需要有一套比较复杂的变桨距调节机构，要求风力机的变桨距系统对阵风的响应速度足够快，才能减轻由于风的波动引起的功率脉动。

3.主动失速调节

主动失速调节方式是前两种功率调节方式的组合。图2-23（c）中，在低风速时，采用变桨距调节，可达到更高的气动效率。风力机达到额定功率后，使桨距角β向减小的方向转过一个角度，相应的攻角α增大，使叶片失速效应加深，从而限制风能的捕获。这种调节方式不需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率相对较小。典型风轮叶片及风力机叶型迭合图如图2-24所示。

图2-24　典型风轮叶片及风力机（S70）叶型迭合图

（a）典型风轮叶片；（b）风力机叶型迭合图