第五节 风力机的运行及控制

风轮的空气动力特性决定了风力机的运行规律，也决定了风力机的控制方式。

一、风力机的调节特性

风力机输出的转矩和功率均与风轮转速有关，也与风速有关。

（1）转矩-转速特性

风力机在不同风速下的转矩-转速特性如图2-30a所示。大型风力机的风轮均为高速风轮。

（2）功率-转速特性

风力机在不同风速下的功率-转速特性如图2-30b所示。

由图2-30可见，当风速不变时，调节风轮转速可以使其运行在最佳状态，当风速变化时，欲使风力机运行在最佳状态，需要进一步调节风轮转速。

二、风力机的实际风能利用系数

图2-31所示为风力机的风能利用系数与叶尖速比的关系曲线。由图2-31可见，对于实际风力机除了不能全部利用来流的能量之外，还应考虑尾流旋转、翼型阻力损失和有限叶片数引起的损失等。另外，在叶片数不同时，风能利用系数也有各自的变化规律。

三、叶片数的影响

对于大型风力发电机组来说，从单叶片到三叶片的风力机都有，如图2-32所示。但三叶片的居多。

不同用途的风力机，叶片数也有所不同。为了达到相对较好的风能利用系数，叶片数必须与尖速比相对应，表2-2所示为风力机叶片数与尖速比的匹配关系。也就是说，在风速相同时，叶片数少的风力机转速应该快一些。

叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较高的风能利用系数，既有较大的转矩，而且起动风速低，因此适用于风力提水。而叶片数少的风力机则在高尖速比运行时有较高的风能利用系数，输出转矩小，但转速高，适用于风力发电。

风轮叶片数对风力机载荷有很大影响。三叶片使风力机系统运行平稳，基本上消除了系统的周期载荷，输出稳定的转矩，轮毂可以简单一些。双叶片风轮的动态载荷比三叶片风轮的动态载荷大得多。另外，实际运行时，双叶片风轮的旋转速度要大于三叶片风轮。因此，在相同风轮直径时，由脉动载荷引起的风轮轴向力变化要大。

单叶片风轮通常比双叶片风轮风能利用系数低6%。由于风轮动力学平衡的需要，单叶片风轮需要增加相应的配重和空气动力平衡措施，并且对结构动力学的振动控制要求非常高。单叶片和双叶片风轮的轮毂通常比较复杂，为了限制风轮旋转过程中的载荷波动，轮毂具有跷跷板的特性（即采用铰链式轮毂）。叶片连接在轮毂上，允许叶片在旋转平面内向后或向前倾斜几度，这样可以明显地减少由于阵风和风剪切在叶片上产生的载荷。

从经济角度考虑，单或双叶片风轮可以节省材料，主传动机构的重量和费用也有所降低，从而减轻了整机重量。但由于解决结构振动问题所支出的费用增加，使得它们的优势并不突出。

为了控制风轮叶片空气动力噪声，通常要将风轮叶片的叶尖速度限制在65m/s以下。由于双叶片风轮的旋转速度大于三叶片风轮，因此对噪声控制不利。从景观来考虑，三叶片风轮更容易为大众接受，除了外形整体对称性原因外，还与三叶片风轮旋转速度较低有关。

四、风力机的控制目标

风力机的控制目标除了正常的起动、关机等运行程序外，主要有如下几个方面：

（1）最佳运行状态控制

当风力机运行在额定风速以下时，希望有最多的能量输出，需要改变风轮转速。采用变速发电机可以实现这一要求。

（2）额定功率控制

当风速等于或大于额定风速时，希望风力机保持额定功率输出。定桨距风力机采用失速调节来实现；变桨距风力机采用变桨距调节来实现。

1）失速调节。定桨距风力机叶片的失速调节原理如图2-33所示。图中dR为作用在叶片上的气动合力，该力可以分解成dF_t、dF_n两部分；dF_t与风速垂直，称为驱动力，使叶片转动；dF_n与风速平行，称为轴向推力，通过塔架作用到地面上。当叶片的桨距角不变，随着风速的增加攻角增大，达到临界攻角时，升力系数开始减小，阻力系数不断增大，造成叶片失速。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，随风速继续增大，失速部分向叶尖处扩展，原先已失速的部分，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。

2）变桨距调节。当功率在额定功率以下时，控制器将桨距角置于0°附近，不作变化，可认为等于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整桨距角，使叶片攻角不变，将发电机的输出功率限制在额定值附近，如图2-34所示。叶片受力定义同图2-33。

（3）对风控制

当风向改变时，希望风轮轴与来风方向平行。对于大型上风向风力机，要借助于偏航机构来完成。

至于风力机变速、变桨距和偏航的机理详见本书第三章和第五章。