【技术】风电机组叶片气动控制技术浅析

　　近些年，风电机组尺寸持续增长，激烈的市场竞争推动着技术的持续更新。出于控制成本和保证安全的目的，越来越多的研究人员开始关注如何提升风电机组气动效率、优化叶片外形、降低载荷和增加叶片生命周期等方面的研究。其中，疲劳载荷水平是风电机组设计的一个关键因素，降低疲劳载荷可以显著降低风电机组制造和维护成本。无论是提升风电机组气动效率或是降低载荷水平，其研究的核心都集中于叶片的气动控制技术，而叶片气动控制在很大程度上依赖于对流经叶片表面气流的控制。本文将根据现有的研究资料讨论风电机组叶片的气动控制技术，这些技术有的已经广泛应用于实际风电机组叶片上，有的还处于研究阶段。

　　气动控制技术综述

　　风电机组气动控制技术可以分为两类：主动控制和被动控制，如图1 所示。被动控制技术是指在不借助外部辅助力量下能够提高风电机组发电效率、降低气动载荷等的控制方法。常见的被动控制技术如下风向风电机组的自由偏航技术，气弹适应叶片以及涡流发生器、叶片扰流器等被动气流控制技术。主动控制技术则指需要借助外力的控制技术，传统的如机组偏航，叶片变速变桨等，更先进的主动控制技术如改变剖面形状和翼型表面吹/ 吸气的控制技术。

　　

　　被动控制技术

　　一、被动偏航

　　绝大多数的现代风电机组均采用主动偏航控制，然而在早期风电机组以及部分现代风电机组中仍然可以见到被动偏航的例子。其中最简单的的一种是尾舵偏航，它广泛地用于风轮直径在几米范围内的小型风电机组中。还有一种侧风轮偏航系统，也成功地用在小型风电机组中。然而无论是尾舵还是侧风轮偏航，由于其偏航力矩的局限，都没能再应用于现代大型风电机组中。另一种应用于部分现代大型风电机组中的被动偏航技术是下风向风电机组中采用的自由偏航。该技术可以节约主动偏航控制系统的成本以及避免主动偏航中的风向测量误差，日立公司在其海上5MW 风电机组上就采用了这种技术。

　　二、气弹适应叶片（弯扭耦合）

　　在风电机组运行过程中，叶片总是伴随着弯曲和扭转变形，其带来攻角的变化会影响到叶片的发电功率和气动载荷，这种现象被称之为气弹耦合。因为柔性叶片的气弹耦合现象不可避免，故可以在叶片设计时利用气弹耦合特性使其适应优化发电功率和降低疲劳载荷的目标。其中，弯扭耦合是研究最广泛的一种气弹适应性设计。这种设计旨在当叶片受载弯曲的同时会伴随着显著的扭转变形以增加叶片扭角，进而降低攻角，降低载荷。这种技术能有效降低阵风引起的载荷波动，从而增加叶片疲劳寿命。目前有两种典型的设计方法：基于材料的耦合和基于外形的耦合。