变桨距风力发电机组的运行状态

十三、变桨距风力发电机组的运行状态

变桨距风力发电机组根据变距系统所起的作用可分为三种运行状态，即风力发电机组的启动状态(转速控制)、欠功率状态(不控制)和额定功率状态(功率控制)。

1．启动状态

变距风轮的桨叶在静止时，节距角为90°(见图8-2)，这时气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到启动风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始启动。在发电机并入电网以前，变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制按一定的速度上升率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值调整节距角，进行所谓的速度控制。虽然在主电路中也采用了软并网技术，但由于并网过程的时间短(仅持续几个周波)，冲击小，可以选用容量较小的晶闸管。在这种情况下，桨叶节距只是按所设定的变距速度将节距角向0°方向打开，直到发电机转速上升到同步转速附近，变桨距系统才开始投入工作。转速控制的给定值事实上是恒定的，即同步转速。转速反馈信号与给定值进行比较，当转速超过同步转速时，桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一定时间后，发电机即并入电网。

图8-2　不同节矩角的浆叶截面

2．欠功率状态

欠功率状态指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率状态运行。与转速控制相同，在早期的变桨距风力发电机组中，对欠功率状态不加控制。这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同，其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。

近年来，新型的变桨距风力发电机组为了改善低风速时桨叶的气动性能，可根据风速的大小调整发电机转关率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。当然，能够作为控制信号的只是风速变化稳定的低频分量，对于高频率不响应。这种优化只是弥补了变桨距风力发电机组在低速时的不足之处，与定桨距风力发电机组相比，并没有明显的优势。

3．额定功率状态

当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态。这时，在传统的变桨距控制方式中，将转速控制切换到功率控制，变桨距系统开始根据发电机的功率信号进行控制。控制信号的给定值事实上是恒定的，即额定功率。功率反馈信号与给定值进行比较，当功率超过额定功率时，桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。其控制系统框图如图8-3所示。

图8-3　传统的变浆距风力发电机组的控制框图

由于变桨距系统的响应速度受到限制，对快速变化的风速通过改变节距来控制输出功率的效果并不理想。因此，为了优化功率曲线，最新设计的变桨距风力发电机组在进行功率控制的过程中，其功率反馈信号不再作为直接控制桨叶节距的变量。变桨距系统由风速低频分量和发电机转速控制，风速的高频分量产生的机械能波动通过迅速改变发电机的转速来进行平衡，即通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制。当风速高于额定风速时，允许发电机转速升高，将瞬变的风能以风轮动能形式储存起来;转速降低时，再将动能释放出来，使功率曲线达到理想的状态。