被动变桨下风向控制技术在中小型风力发电机组中的应用

被动变桨下风向控制技术在中小型风力发电机组中

的应用

摘要：本文从分析国内现有中小型风力发电机组技术类型着手，介绍了被动变桨下风向控制技术的原理、特点和变浆矩风力机组的优势，并简要介绍了已开发成功的变浆矩下风向机型、应用案例和市场前景。

1. 国内中小型风力发电机组当前的主要技术类型、特点和存在的问题

随着近几年世界范围内对低碳经济的重视，作为分布式供电系统重要组成部分的中小型风力发电机组得到了长足的发展，同时也存在一些技术和质量方面的问题。从目前国内主流的中小型风力发电机看，主要技术类型有两种：1.上风向、带尾舵、被动偏航限速；2.上风向、无尾舵、风速风向仪对风、主动偏航限制。（如图1、图2）

这两种类型的主要特点是：

①对风采用尾舵对风或采用风速风向仪自动对风，一般效果较好。

②风力发电机结构简单，发电机、机舱、轮毂设计简单，成本较低。

③在大风中限速采用被动偏航或主动偏航控制。

同时这两种类型的风力发电机在实际使用也存在明显的不足，存在一些由于控制技术方面存在的问题：

（1）风机限速功能较差。在大风中风机限速问题成为中小型风力发电机组运行安全性、可靠性的首要问题。上述的两种风力机类型，是定浆矩类型，风轮随着受风风力的加大而不断增加转速，发电机输出电压和功率以三次方的比例上升，第一种上风向带尾舵被动偏航限速，可靠性很差，常常在大风中无法有效偏航限速导致转速失控、电压上升击毁控制器，甚至风叶飞出、风机吹掉；第二种上风向无尾舵主动偏航限速，性能已优于第一种类型，但它不停地测风速和风向，偏航回转机构不停地工作，控制系统及偏航电机都靠电力驱动，电的传输和储存都存在问题，一旦偏航回转机构失灵后果不不堪设想，会出现在大风中偏航不灵敏、风轮转速失控上升，严重时会风叶飞出、机组损毁。

（2）刹车停机功能缺乏：目前这两种机型都缺乏必要的刹车停机手段，采用的电磁制动是在控制器器上人为地将发电机三相输出短接，这种方式在风轮转速较快的情况下会造成大电流冲击烧坏发电机，同时对主轴、塔杆造成严重机械冲击，这种方式应该淘汰。

（3）后端配置偏大。由于对于风轮转速缺乏有效的控制，为了避免对后端的控制器、逆变器系统造成损害，所以很多逆变系统生产厂家通过加大卸荷电阻功率，加大匹配功率，如10kW风力发电机配20kW控制器、逆变器等系统以保证系统的稳定性，增加了机组整体成本，削弱了市场竞争力。

因此现有的风力发电机组技术，由于是定浆矩设计，偏航限制控制，存在问题突出表现在低风速下启动困难，高风速下限速困难，且无有效停车机构，在国内国际市场应用上也出现一定的负面影响，影响了中国中小型风力发电机行业的发展和国际市场竞争力。

2. 变浆矩技术在中小型风力发电机组中应用的必要性和紧迫性

我国现有中小型风力发电机组存在的问题，都是与它的主要结构定浆矩分不开的，如果能把定浆矩改为变浆矩，把偏航限速、卸荷限速这种“从后控制”方式改为控制风轮转速“从头控制”方式，将彻底解决这些存在的问题。因此在目前大多数厂家还在沿用以往带尾舵限速和定桨偏航风机的情况下，推广使用变浆矩风机，对现有风力发电机升级换代，提升国内中小型风力发电机品质和技术水平，具有十分重要的必要性和紧迫性。

变浆矩技术的原理与优势

变浆矩指在叶片根部加装变桨轴承，叶片可以沿自身的轴线旋转，改变风轮的桨矩角，进而改变攻角。（如图3）

定浆矩与变浆矩风机的比较优势

定浆矩是指桨叶与轮毂的连接是固定的，桨矩角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化，故减速比一定，启动风速高，限速困难，输出功率不稳定。（如图4）

变浆矩调节的优点是桨叶受力较小，桨矩角可以随风速的大小而进行自动调节，因而尽

可能多地吸收风能转化为电能，同时在高风速能有效控制转速，保持功率稳定输出，缺点是机构和制作工艺相对复杂。

3. 下风向被动变桨技术原理、机组特点及优势

把变浆矩控制技术应用到中小型风力发电机组中，首先考虑的是成本问题，采用类似大风机电子主动变桨控制技术应用到50kw 以下的机型中是不现实的，因此我们采用的下风向被动变桨技术，解决了这一技术与成本难题。

下风向被动变桨风力发电机组原理简介

通过风力发电机风轮旋转时离心锤所产生的离心力，来控制调节风叶的桨矩角，使风轮在低风速时处于正的启动角度可以产生一个较大的启动力矩；按近额定风速时保持在最佳迎风角位置，达到最佳尖速比，获得大的风能利用系数；当超过额定风速时，风叶桨矩角在离心力的作用下趋向负角，对风轮限速从而始终将风力发电机转速控制在额定转速以内，限制发电机输出电压过大达到功率平稳输出；还可以通过刹车装置在遇强风或台风时，对风机进行人工或自动停机保护。

风机变桨距技术原理

机组特点：

（1）下风向设计

a.下风向设计就是风轮相对风向处在塔杆的下侧，通过风轮自身承受的风压来自动对风，解决风机的对风问题。

b.不需要其他对风装置，省去尾舵、偏航等机构，外形更紧凑美观。

（2）采用被动变桨技术

当风速改变时，通过风机自身的离心装置和复位装置自动去改变桨叶的桨矩角；相对主动电子变桨省去控制器、风速风向仪、plc偏航等巨额成本。

（3）与下风向风力发电机有机结合

因为有了变桨技术，所以不需要限速机构，如偏航齿轮或尾舵；正因为可以去掉庞大的尾舵限速机构，可以设计成下风向结构。

（4）主机与塔杆之间采用减震装置，避免风机运转过程中振动造成的机械损害，可以有效消除“塔影”效应。

（5）刹车机构：主动变桨柔性刹车停机，通过塔杆底部的停车机构将风叶桨矩角调整到一定的负角，通过持续的风压产生反转力矩，从而达到风速停机。

4. 开发成功的机型和取得的科技成果

5kW新型变桨矩风力发电机

· 08年9月国内首台下风向被动变桨风力机组试制成功

·通过海盐钱塘江边风场野外运行试验验证，经受台风“莫拉克”考验

· 09年3月批量生产，国内及国外销售

·通过国际CE 认证（欧洲新风机标准：EN61400-2 等）

2kW新型变桨矩风力发电机

· 09年2月国内首台2kw 下风向被动变浆矩风力机组试制成功

·通过海盐钱塘江边风场野外离网运行试验，经受今年台风“莫拉克”考验

· 09年6月批量生产销售，国内及国外销售

·通过国际CE认证（欧洲新风机标准：EN61400-2等）

10kW新型变桨矩风力发电机

· 09年8月份国内首台10kW下风向被动变浆矩风力发电机组试制成功

·正在海盐钱塘江风场进行野外运行试验

· 09年12月份将批量生产进行销售

·通过国际CE认证（欧洲新风机标准：EN61400-2等）

·公司已取得申请三项发明专利、六项实用新型专利，其中实用新型专利已全部授权，发明专利已公布。

5. 工程应用案例与发展前景

综上所述，由于变桨矩风力发电机组采用变桨控制，使风力机的风轮转速更可控，因此风力机在大风下运行的安全性、可靠性得到极大的加强，下风向的设计又使风机省去尾舵，结构紧凑，外形美观，非常适合于推广使用，而良好的性价比和同功率定桨矩风机几乎相同的产品售价，使这一款风机更具有市场竞争性。

可以预见，变桨矩风力发电机组将逐步取代定桨矩机型，成为国内中小型风力发电机组的主导力量，在建设分布式电源系统的工作中逐步发展与壮大，市场前景十分广阔。