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功率控制

From Windpower Guided Tour

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风力发电机的功率控制

设计 风力发电机是用来尽可能便宜的发电。因此通常设计的风力发电机能够在风速达到15m/s(30哩/小时或33英里/小时)左右的时候产生出最大输出功率。不需要花钱设计风机在更强的风时有最大的功率输出,因为这种强风是很少的。

为了避免破坏风机,在遇有更强风时就需要浪费掉产生的部分过剩能量。所有的风机都设计有某种功率控制器。关于现代风机的安全有两种不同的做法。

变桨控制风力发电机

在一个变桨控制风力发电机上,发电机的电子控制器每秒钟要检查发电机的输出功率数次。当输出功率特别高时,就会向叶片的变桨机构发出一个命令,立即轻微地变桨(转动)使转轮叶片背风。相反的如果风又变弱,叶片就会转动回来迎风。

像图片中显示的转轮叶片可以绕着它的纵向轴转动(变桨)。

注意,那个图片是夸大了的:

在正常运转期间叶片每次变桨一个小角度,转轮同时也转动。

设计一个变桨控制风力发电机要求一些精通的工程学知识以确保转轮叶片变桨要求的精确性。每当风变化时,变桨控制风力发电机的计算机会使叶片变桨一定角度以保持转轮叶片在不同风速下以最佳的角度产生最大功率。

变桨机构通常利用液压技术运行。

失速控制的风力发电机

(被动的)失速控制的风力发电机要求转轮叶片以一个固定的角度将叶片用螺栓固定到轮毂上。

转轮叶片剖面的几何形状已经按空气动力学设计,以确保风速变到太高的时刻,在转轮叶片的背风的一边产生湍流,如上一节中图片中所示。这个失速阻止了来自作用于转轮的转轮叶片的升力。

如果你阅读了关于空气动力学和空气动力学与失速章节,你就会明白在区域的实际风速增加时,转轮叶片的攻角也会增加,直到在某一点开始失速。

如果你近距离看一个失速控制风力发电机的转轮叶片,当你沿着它的纵向轴移动你就会注意到叶片稍有扭曲。这样做是为了确保当风速达到临界值时,转轮叶片逐渐失速而不是突然失速。(叶片扭曲的另一个原因在之前的空气动力学一节已经提到)

失速控制的基本优点一是可以避免转轮本身的移动,也避免了一个复杂的控制系统。另外一方面,失速控制体现了一个非常综合的空气动力学设计问题和整台风机的相关结构力学的挑战,例如避免失速引起的振动。在世界上安装的大约2/.3的风机普遍是失速控制风机。

主动失速控制风力发电机

越来越多的大风机(1MW以上)发展使用主动失速功率控制装置。

主动失速装置技术上类似于变桨控制装置,因为它们有变桨叶片。为了在低风速时达到合适的大的转距(旋转力),装置会编程使它的叶片变桨就像在低风速变桨控制风机一样。(它们常常依据风速使用几个固定步骤)

当风机达到它的额定功率,你就会注意到一个非常重要的与变桨控制装置的差异:如果发电机接近超负荷,叶片就会向与变桨控制风机相反的方向变桨。换句话说,它就会增加转轮叶片的攻角,以使得叶片更加失速,从而消耗风中的过剩能量。

主动失速的优点一是能够比被动失速更加准确的控制输出功率,以避免在一阵大风开始的时候超过额定功率。另外一个优点是能够在所有高风速时基本上以额定功率运行。一般被动失速控制风力发电机通常在较大风速时输出功率会下跌,因为转轮叶片进入较深失速。

变桨装置通常使用液压技术或电子的步进电动机运行。

安装变桨控制主要是经济问题,当增加叶片变桨机构是否值得支付装置额外的复杂性应予权衡。

其他功率控制方法

一些老的风力发电机使用副翼(阻力板)来控制转轮的功率,就像飞机使用阻力板来改变机翼的几何图形以提供起飞时额外的升力。

另外一种理论上的可能性是使转轮偏航背离风以减少功率。这个偏航控制的技术在实际中只是用于一些小风机(1KW以下),因为它的转轮主体循环变动应力,最终可能会损坏整个结构。

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