[科普中國(guó)]-槳距角

簡(jiǎn)介

對(duì)于一定的葉片而言，槳距角β是一個(gè)重要的參數(shù)。β定義為葉素弦長(zhǎng)(即翼型的前后緣連線)與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的夾角。對(duì)于失速型定槳距風(fēng)力機(jī)而言，槳距角β為一靜態(tài)角，該角度取決于葉片的安裝情況，對(duì)可變槳距風(fēng)力機(jī)而言，可以通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角β來(lái)改變?nèi)~片的攻角α。

攻角α是影響葉片氣動(dòng)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，定義為葉素弦長(zhǎng)與入流速度方向的夾角，對(duì)于一定葉片而言，α是一個(gè)動(dòng)態(tài)角，其值將隨葉素的運(yùn)動(dòng)速度和風(fēng)速變化。氣流通過(guò)風(fēng)輪使其產(chǎn)生力矩，同時(shí)風(fēng)輪對(duì)氣流也有影響。此時(shí)，葉素截面作用的氣流發(fā)生變化，氣流速度形成垂直和平行于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的兩個(gè)分量。引入切向氣流速度誘導(dǎo)因子a’和垂直風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的軸向氣流誘導(dǎo)因子a，a’表示與旋轉(zhuǎn)平面平行的速度分量的變化，則距旋轉(zhuǎn)軸徑向距離為r處的速度分量的變化可表示為a'Ωr，a表示與旋轉(zhuǎn)平面垂直的速度分量的變化1。

調(diào)節(jié)目的提高功率不是要提高槳距角，調(diào)節(jié)槳距角的目的主要是：

（1）啟動(dòng)，獲得比較大的啟動(dòng)扭矩，來(lái)使葉輪克服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的空載阻力矩；

（2）限制功率輸出，在額定風(fēng)速后，使功率平穩(wěn)，保護(hù)機(jī)械和電路系統(tǒng)，同時(shí)可以降低載荷；

（3）剎車，提供很大的氣動(dòng)阻力，使葉輪的轉(zhuǎn)速快速降低，避免機(jī)械剎車造成的慣性力太大而造成的傷害。

在風(fēng)力機(jī)中，通過(guò)對(duì)槳距角的主動(dòng)控制可以克服定槳距/被動(dòng)失速調(diào)節(jié)的許多缺點(diǎn)。

變速恒頻變槳距控制的理論依據(jù)：

在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，槳葉節(jié)距角β=0°，通過(guò)變速恒頻裝置，風(fēng)速變化時(shí)改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使風(fēng)能利用系數(shù)恒定在Cpmax，捕獲最大風(fēng)能；在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角從而減少葉輪輸入功率，使發(fā)電機(jī)輸出功率穩(wěn)定在額定功率。

與風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系在變槳距系統(tǒng)中，風(fēng)能利用系數(shù)Cp是關(guān)于葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)。

根據(jù)圖3.1可以總結(jié)出以下規(guī)律：

a) 保持λ一定，只改變槳距角β時(shí)，易知在槳距角β=0°時(shí)，CP值最大。隨著槳距角β逐漸增大，風(fēng)能利用系數(shù)Cp會(huì)明顯地減小。

b) 保持槳距角β不變，只改變?nèi)~尖速比λ值時(shí)，從圖中可以看出對(duì)某一槳距角角度，風(fēng)能利用系數(shù)的最大值CPmax是唯一的；

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在起動(dòng)前，槳葉處于順槳狀態(tài)，槳距角為90°在風(fēng)速大于切入風(fēng)速時(shí)，槳葉向0°，方向轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，使槳葉產(chǎn)生攻角，葉輪開始進(jìn)入工作狀態(tài)。

依據(jù)風(fēng)速的大小，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)可以分為兩種：

（1）最大風(fēng)能捕獲階段

當(dāng)風(fēng)速超過(guò)切入風(fēng)速，而未達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)風(fēng)速的大小來(lái)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組始終捕獲最大風(fēng)能，跟蹤最佳功率曲線輸出功率。

（2）功率調(diào)節(jié)階段

當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速，而沒(méi)有達(dá)到切出風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率不斷增加，風(fēng)機(jī)的輸出功率會(huì)超過(guò)額定功率，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械和電氣自身的限制，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和輸出功率不可能超過(guò)極限值。風(fēng)能的利用率會(huì)隨著槳距角的增大而逐漸減小，風(fēng)機(jī)的輸出功率也相應(yīng)減小，因此通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角就能降低輸出功率，使之維持在額定功率附近2。

變槳距調(diào)節(jié)運(yùn)行控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行一般存在 5 種工況，即起動(dòng)區(qū)、最大風(fēng)能追蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)、恒功率區(qū)、停機(jī)區(qū)。 下面對(duì)最大風(fēng)能追蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)、恒功率區(qū)進(jìn)行分析。 因不同工況下控制目標(biāo)不同，故變槳距控制系統(tǒng)采取不同的控制策略，如圖 2 所示。

(1) 最大風(fēng)能追蹤區(qū)(圖 2 中 AB 段)： 風(fēng)速處于切入風(fēng)速以上，但發(fā)電機(jī)未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。該區(qū)域內(nèi)實(shí)行最大風(fēng)能追蹤控制的變速運(yùn)行，此風(fēng)速區(qū)間，β =0°。

(2) 恒轉(zhuǎn)速區(qū)(圖 2 中 BC 段)：發(fā)電機(jī)已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，但風(fēng)速未達(dá)到額定值。 此時(shí)輸出功率繼續(xù)上升，通過(guò)轉(zhuǎn)速控制，使風(fēng)力機(jī)組處于恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)，但不對(duì)槳距角進(jìn)行調(diào)節(jié)，β =0°。

(3) 恒功率區(qū)(圖 2 中 CD 段)： 風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速。 隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)力機(jī)輸出功率不斷增大，此時(shí)，需在轉(zhuǎn)速控制的基礎(chǔ)上增加功率控制，調(diào)節(jié)槳距角，控制風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的吸收，使輸出功率不超過(guò)額定值。 此區(qū)域風(fēng)電機(jī)組處于恒轉(zhuǎn)速、恒功率運(yùn)行狀態(tài)3。