大型风电机组变桨距控制技术的研究

　　1 引言
　　变速恒频风电机组风轮转速随着风速的变化而变化，可更有效地利用风能，并通过变速恒频技术得到恒定频率的电能。变速恒频机组的显著优点获得了市场青睐，已成为市场的主流机型。但变速恒频风电机组仅通过电机自身调节要达到减小风速波动冲击的目的是很困难的，因为自然界中的风速瞬息万变，特别是在额定风速以上工况，风电机组可能受到很大的静态和动态冲击。
　　变桨距就是使叶片绕其安装轴旋转，改变叶片的桨距角，从而改变风电机组的气动特性，使桨叶和整机的受力状况大为改善。变桨距风电机组与传统的定桨距风电机组相比，具有起动与制动性能好，风能利用系数高，在额定功率点以上输出功率平稳等优点。所以目前的大型风电机组多采用变桨距形式。
　　本文主要对大型风电机组的变桨距系统进行了分析，探讨了变桨距系统的气动特性，给出了风电机组变桨距工作过程的理论基础；简要介绍了变桨距风电机组的工作过程；对液压变桨和电动变桨两种变桨方式的特点进行了比较，并对电动变桨的控制方式进行了分析研究。
　　2 变桨距的气动特性及工作过程
　　风电机组的特性通常由一簇功率系数Cp 的无因次性能曲线来表示，风能利用系数是风电机组叶尖速比λ 和节距角β 的函数，即Cp=f(λ, β)。风能利用系数Cp 可近似表示为（1）由式（1）可得到变桨距风电机组的（Cp -β) 特性曲线如图1 所示：
　　从图1 中可以得到下面的结论：

图1 变桨距风电机组的（Cp-β）特性曲线

　　（1） 对于某固定桨距角β，存在唯一的风能利用系数最大值Cpmax，对应一个最佳叶尖速比λopt ；
　　（2） 对于任意的叶尖速比λ，桨叶节距角β=00 下的风能利用系数Cp 相对最大，桨叶节距角增大，风能利用系数Cp 明显减小。
　　以上两点即为变速恒频变桨距控制的理论依据：在风速低于额定风速时，桨叶节距角β=00，风速变化时，通过变速恒频装置改变发电机转子转速，使风能利用系数恒定在Cpmax，捕获最大风能；在风速高于额定风速时，调节桨叶节距角从而减少发电机输出功率，使输出功率稳定在额定功率。