变桨距

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变桨距

在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在零度位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。在风力机中，通过对桨距角的主动控制可以克服定桨距/被动失速调节的许多缺点 ^[1] 。

中文名: 变桨距
外文名: variable pitch
实现方法: 调节桨距角

对象: 轮毂上的叶片
目的: 使发电机输出额定功率
控制策略: 闭环控制

实现优点

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如图《不同叶片的桨距角对输出功率的影响》所示，表示了输出功率对桨距角变化的敏感性。

不同叶片的桨距角对输出功率的影响

桨距角最重要的应用是功率调节，桨距角的控制还有其他优点。

当风轮开始旋转时，采用较大的正桨距角可以产生一个较大的启动力矩。停机的时候，，经常使用90°的桨距角，因为在风力机刹车制动时，这样做使得风轮的空转速度最小。在90°正桨距角时，叶片称为“ 顺桨 ”。 ^[1]

规律

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风速仪

在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能地捕捉较多的风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比在额定风速之时小，因此也没有必要通过变桨距来调节载荷。然而，恒速风力发电机组的最佳桨距角随着风速的变化而变化，因此对于一些风力发电机组，在额定风速以下时，桨距角随风速仪或功率输出信号的变化而缓慢地改变几度。

在额定风速以上时，变桨距控制可以有效调节风力发电机组吸收功率及叶轮产生载荷，使其不超过设计的限定值。然而，为了达到良好的调节效果，变桨距控制应该对变化的情况作出迅速的响应。这种主动的控制器需要仔细地设计，因为它会与风力发电机组的动态特性产生相互影响。

当达到额定功率时，随着桨距角的增加攻角会减小。攻角的减小将使升力和力矩减小。气流仍然附着在叶片上。高于额定功率时，桨距角所对应的功率曲线与额定功率曲线相交，在交点处给出了所必需的桨距角，用以维持风速下的额定功率。需要的桨距角随着风速的变化逐渐增大，而且通常比桨距角失速的方式所需要的大很多。在阵风的条件下，需要大的桨距角来保持功率恒定，而叶片的惯性将限制控制系统反应的速度。

运行状态

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控制阶段

风力发电机组

变速变桨距风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现：

在额定风速以下时，保持最优桨距角不变，采用最大功率跟踪法(MPPT)，通过变流器调节发电机电磁转矩使风轮转速跟随风速变化，使风能利用系数保持最大，风机一直运行在最大功率点；

在额定风速以上时，通过变桨距系统改变桨距角来限制风轮获取能量，使风力发电机组保持在额定功率发电。而对于定桨距风力发电机组，在此风速高于额定的风速范围内，由于其桨距角不能改变，只能通过风机的失速特性来降低风能的吸收，因此在风速高于额定时不能维持额定功率输出，输出功率反而会下降 ^[1] 。

风电机组运行

风力机并网后的两个工况：

风力机并网

(1)风速低于额定风速；

(2)风速高于额定风速。

具体分析如下：

变桨距风电机组的运行过程可以划分为以下四个阶段：

(1)风速小于切入风速；

(2)风速在切入风速和额定风速之间；

变桨距

(3)风速在额定风速和切出风速之间：

(4)风速大于切出风速；

具体运行过程如下：

在风速小于切入风速时，机组不产生电能，桨距角保持在90 。；

在风速高于切入风速后，桨距角转到0 。，机组开始并网发电，并通过控制变流器调节发电机电磁转矩使风轮转速跟随风速变化，使风能利用系数保持最大，捕获最大风能；

在风速超过额定值后，变桨机构开始动作，增大桨距角，减小风能利用系数，减少风轮的风能捕获，使发电机的输出功率稳定在额定值；

在风速大于切除风速时，风力机组抱闸停机，桨距角变到90 。以保护机组不被大风损坏 ^[2] 。

输出状态

桨叶

当风速增加使得发电机的输出功率也随之增加到额定功率附近时，由于风力发电机组的机械和电气极限要求转速和输出功率维持在额定值。增大桨叶节距角，风能的利用系数明显减小，发电机的输出功率也相应减小。因此当发电机输出功率大于额定功率时，通过调节桨叶减小发电机的输出功率使之维持在额定功率；当输出功率降到小于额定功率时，调节桨叶增大输出功率。因此在高风速阶段一般都采用变桨距控制。