风力发电机组中的定桨距机组的控制系统，收藏

机组的特点

并网型风力发电机组从20世纪80年代中期开始逐步实现了商品化、产业化。经过20余年的发展，容量已从数十千瓦级增大到兆瓦级，定桨距（失速型）风力发电机组在相当长的时间内占据主导地位。尽管在兆瓦级风力发电机组的设计中已开始采用变桨距技术和变速恒频技术，但由此增加了控制系统与伺服系统的复杂性也对机组的成本与可靠性提出了新的挑战。因此，定桨距风力发电机组结构简单、性能可靠的优点是始终存在的。定桨距风力机组的结构特点如下。

1.风轮结构

定桨距风力发电机组的主要结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题：①当风速高于风轮的设计点风速即额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能都是有限度的。桨叶的这一特性被称为自动失速性能。

②运行中的风力发电机组在突然失去电网（突甩负载）的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力、脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动，这对于数十千瓦级机组来说问题不大，但对于大型风力发电机组，如果只使用机械刹车，就会对整机结构强度产生严重的影响。

为了解决上述问题，桨叶制造商首先在20世纪70年代研制成功了用玻璃钢复合材料构成的失速性能良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题；80年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力发电机组上，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，使定桨距（失速型）风力发电机组在近20年的风能开发利用中始终占据主导地位，直到最新推出的兆瓦级风力发电机组，有的机型仍然采用该项技术。

2.桨叶的失速调节原理

当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因突面的弯曲而使气流加速，压力较低，凹面较平缓使气流速度缓慢，压力较高，因而产生升力。桨叶的失速性能是指它在最大升力系数Cl max 附近的性能。当桨距角β 不变，随着风速增加攻角i 增大，升力系数Cl 线性增大；在接近Cl max 时，增加变缓，达到Cl max 后开始减小。另一方面，阻力系数Cd 初期不断增大；在升力开始减小时，Cd 继续增大，这是由于气流在叶片上的分离随攻角的增大而增大，分离区形成大的涡流，流动失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减小，致使阻力激增，升力减少，造成叶片失速，从而限制了功率的增加，如图3-3所示。

失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少，因而根部叶面先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖处扩展，原本已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减少，未失速部分仍有功率增加。从而使输入功率保持在额定功率附近。

3.叶尖扰流器

由于风力机风轮具有巨大的转动惯量，如果风轮自身不具备足够的制动能力，在高风速下实现脱网停机是难以达到的。早年的风力发电机组正是不能解决这一问题，造成灾难性的飞车事故不断发生。目前所有的定桨距风力发电机组均采用了叶尖扰流器的设计。叶尖扰流器的结构如图3-4所示。当风力机正常运行时，在液压系统的作用下，叶尖扰流器与桨叶主体部分合为一体，组成完整的桨叶；当风力机需要脱网停机时，液压系统按控制指令将叶尖扰流器释放并使之旋转80°～90°形成阻尼板，由于叶尖部分距离主轴最远，整个叶片作为一个长的杠杆，使叶尖扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力机在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即为桨叶空气动力刹车。

叶尖扰流器是风力发电机组的主要制动器，制动时它起主要作用。在风轮旋转时，作用在叶尖扰流器上的离心力和弹簧力会使叶尖扰流器脱离桨叶主体转动到制动位置；而不论是由于控制系统是正常指令还是液压系统的故障引起的液压力释放，都将导致扰流器展开，从而使风轮停止运行。

4.空气动力刹车

空气动力刹车是一种失效保护装置，它使整个风力发电机组的制动系统具有很高的可靠性。空气动力刹车系统常用于失速控制型机组安全保护系统，安装在叶片上，与变桨距系统不同，它主要是限制风轮的转速，并不能使风轮完全停止转动，而是使其转速限定在允许的范围内。这种空气动力刹车系统一般采用失效—安全型设计原则，即在风力发电机组的控制系统和安全系统正常工作时，空气动力刹车系统才可以恢复到机组的正常运行位置，机组可以正常投入运行；一旦风力发电机组的控制系统或安全系统出现故障，则空气动力刹车系统立即起动，使机组安全停机。叶片空气动力刹车主要通过叶片形状的改变使气流受阻碍，如叶片部分旋转大约90°，主要是叶尖部分旋转，产生阻力，使风轮转速下降。

图3-5和图3-6中为叶片的正常运行位置和刹车位置。空气动力刹车系统使叶片维持在正常位置时需要克服叶尖部分的离心力，这种动力通常由液压系统提供。