详谈风力发电机有效功率输出调节技术

随着全球经济的发展和人口的增长，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力。一方面，煤炭、石油和天然气等石化燃料的储量，由于上世纪下半叶的大量开采而日益减少;另一方面，是大量使用石化燃料对自然环境产生了严重的污染和破坏。这两方面的问题已经引起世界各国政府和人民的高度重视，并在积极寻求能源的可持续发展。 西安发电机作为一种蕴藏量丰富的自然资源因其使用便捷，可再生、成本低、无污染等特点，在世界范围内得到了较为广泛的使用和迅速发展，发展潜力巨大。而随着世界经济的快速发展和激烈的竞争，新能源发电尤其是风力发电技术越来越受到世界各国的普遍重视。
1 风力发电机的功率调节
　　功率调节是风力发电机关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类功率调节方式:一类是定桨距失速控制;另一类是变桨距控制。
1.1 定桨距失速控制 叶片固定安装在风轮上，角度不能改变，风力机的功率调节完全依叶片的气动特性，称为定桨距风力发电机组。这种机组的输出功率随风速的变化而变化，从Cp的关系看，难以保证在额定风速之前C。最大，特别是在低风速段。这种机组通常设计有两个不同功率，不同极对数的异步发动机。大功率高转速的发动机工作于高风速区，小功率低转速的发动机工作于低风速区，由此来调整入，追求最佳Cp。当风速超过额定风速时，通过叶片的失速或偏航控制降低Cp，从而维持功率恒定。实际上难以做到功率恒定，通常有些下降。
1.2 变桨距控制 为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证 低噪音发电机组输出功率平稳，风力机可进行桨距调整。叶片不是固定在风轮轮毅上，在定桨距基础上加装桨距调节环节，使桨叶可绕自身轴转动，称为变桨距风力机组。比较来看，定桨距失速控制风力机机构简单，部件少，造价低，并具有较高的安全系数，利于市场竞争。但失速型叶片本身结构复杂，成型工艺难度也较大，随着功率增加，叶片加长，所承受的气动推力增大，叶片的失速动态特性不易控制，使制造更大机组受到限制。变桨距型风力机在各种工况下(起动、正常运转、停机)可按最佳参数运行，使输出功率曲线得到优化，可使桨叶和整机的受力状况大为改善，还可以使 汽油发电机在额定风速以下的工作区段有较高的发电量，而在额定风速以上高风速区段不超载，不需要过载能力大的发动机，当然它的缺点是需要有一套比较复杂的变距调节机构。随着风力发电机技术的不断成熟与发展，风力发电机的自动化程度提高，变桨距的风力发电机的优越性显得更加突出和必要，从今后的发展趋势来看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。
2 变桨距控制原理及其控制过程
变桨距控制（Active Pitch Control）技术简单来讲，就是通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的气动转矩和气动功率。从目前的国内外风电控制技术发展来看，变桨距控制主要有两种方案，即统一变桨距控制（Collective Pitch Control）和独立变桨距控制（Individual Pitch Control）。
2.1 统一变桨距控制 统一变桨距是指风力机所有叶片的节距角β均同时改变相同的角度。统一变桨距是最先发展起来的变桨距方法，目前应用也最为成熟。统一变桨控制根据系统运行状态分为速度控制和功率控制，其控制框图如图一所示。
2.2 独立变桨距控制 独立变桨距是指风力机的每支叶片根据自己的控制规律独立地变化节距角β。独立变桨距控制是近几年在统一变桨距的基础上发展起来的新型变桨距控制理论和方法。由于水平轴大型风力发电机组存在风切效应、塔影效应等不可避免的干扰因素，使得作用在风轮叶片和塔架等部件上的载荷存在时间上和空间上的不均匀性。风力发电机组容量越大，风轮直径越大，载荷的不均匀性越严重。
3 变桨距系统驱动方案
目前，国内外已投入使用的 家用发电机的变桨距系统主要有两种驱动方案，一是液压驱动，另一是电机驱动。液压驱动变桨距系统具有响应快、扭矩大、运行平稳、可与偏航、制动等系统共用油源便于集成化布置等优点，多用于 低噪音柴油发电机组的统一变桨距结构，其主要缺点是油液的泄漏问题。电机驱动变桨距系统具有结构简单、无泄漏等优点，便于实现独立变桨距控制，其主要缺点是随着机组容量的增大，电机惯量也增大，使动态响应特性变坏，而且频繁的调节桨叶，容易使电机因过热损坏。