2.4.2 风轮机的功率控制方式

为了避免高风速对风轮的损害，必须采用有效的方法控制作用在风轮上的气动转矩和限制风轮机的输出功率。对风轮机输出功率的控制方法有失速控制（被动控制）、变桨距角控制（主动控制）和主动失速控制。

1.失速控制（被动控制）

最简单、最健壮和最廉价的控制方法是失速控制（被动控制），通常是针对定桨距风轮而设计的。定桨距风轮的叶片以一个固定的角度拴在轮毂的轴上，因此在额定风速下，风轮机的效率较低；而当风速超过额定风速时，桨叶依赖于叶片独特的翼型结构，使流过叶片的气流产生紊流而降低叶片的利用效率，自动地将功率限制在额定值附近，使转子失去一部分功率，因而叫作失速控制。

失速控制的缺点是低风速下的效率低，无辅助启动，在空气密度和电网频率发生变化时，最大静态功率会发生变化。在失速控制的风轮机中，桨距角是固定的，输出功率不能保持恒定；相反，失速效果导致在高风速范围内输出功率小于额定功率。失速调节的过程很复杂，特别是风速不稳定时的精确计算很困难，所以只在兆瓦级以下的风力发电机上应用。

2.变桨距角控制（主动控制）

变桨距角控制（主动控制），是指气流对叶片的攻角可随着风速的变化进行调整，从而改变风力发电机组从风中获得的机械能。一般来说，这种控制方法的优点是可以对功率进行很好的控制，可以辅助启动和进行紧急制动。

优良的功率控制意味着在高风速下，输出功率的平均值总是接近发电机的额定功率。而变桨距角控制可以调节桨叶桨距角，使输出功率保持稳定。这个方法的缺点是由于存在桨距角调节机构，结构较复杂，在高风速下功率波动较大。由于阵风和桨距角调节机构的限速，瞬时功率会在平均额定功率附近发生波动。

3.主动失速控制

主动失速控制是失速控制和变桨距角控制的结合，它在低风速和高风速下都可以对输出功率进行控制。低风速时，将桨距角调节到最佳以获得更高的气动效率；高风速时，以与低风速时相反的方向来调节桨距角。主动失速控制的实质是使叶片攻角发生变化，从而引起更深层次的失速。主动失速风轮可以获得平滑的有限的功率，不会像变桨距角控制风轮那样产生大的功率波动。这种控制方法的优点是能够补偿空气密度的变化，容易启动并容易实现紧急制动。

主动失速控制的风轮机在原理上是一个具有桨距角调节机构的失速控制风轮机。失速控制风轮机和主动失速控制风轮机的区别在于：主动失速控制风轮机有一个可以控制失速效果的桨距角控制系统。另外，功率因数可以在某个范围内进行优化。当风速在启动风速和额定风速之间时，桨距角按最佳输出功率调节到最佳位置；当风速超过额定风速时，通过利用失速效果将输出功率限制在额定功率。为了获得平坦的功率曲线，即在额定风速到切出风速之间得到恒定的额定功率，必须相应地对桨距角进行调节。主动失速控制风轮机的运行模式有两种：功率优化和功率限制。

1）功率优化

当风速低于额定风速且输出功率低于额定功率时，对风轮机输出功率进行控制的目标是实现最大功率点跟踪，以捕获最大风能；在给定的风速下，通过求出对应于最佳功率因数 C _p-opt 的桨距角来对功率进行优化；当风速变化时，通过改变发电机的转速来改变叶尖速比，以对功率进行优化。风速是在某个时间范围内的平均值，对桨距角进行调节以实现在平均风速时跟踪最大功率因数。功率优化是一个开环控制，因为没有来自桨距角和功率对风速的反馈。

图2.8所示为不同风速时功率因数 C _p 与桨距角 β 的关系曲线，可以看出，在低风速时， C _p -β 曲线在最大值处呈尖峰状，即 C _p 对偏离最佳桨距角 β 的微小变化很敏感；在高风速时，曲线的顶部变得平坦些，即风速稍微变化和偏离最佳桨距角对最佳功率因数没有太大的影响。因此，低风速时的最佳桨距角应该精确求出。

调节桨距角时，应该根据平均风速而非瞬时风速值，因此要使用平均移动法求出平均风速。平均移动法实际上是一个过滤风速信号的方法，此方法在风轮机控制器中经常用到。只有在风速超过额定风速或功率超过额定功率时，桨距角控制系统才起作用。

2）功率限制

当输出功率超过额定功率，或风速超过额定风速时，功率限制模式就会起作用。在功率限制模式下，功率控制采用闭环控制，将测量到的发电机平均功率和风轮机功率的设定值进行比较，在正常运行时，该设定值一般是风轮机的额定值。

若平均功率超过设定值，则桨距角按负方向增加以增强失速效果，从而限制输出功率；若平均功率低于设定值，则桨距角按正方向增加以减弱失速效果，以增加输出功率。图2.9所示为在额定风速到切出风速的范围内获得恒定功率时的桨距角调节。