槳距角

對於一定的葉片而言，槳距角β是一個重要的參數。β定義為葉素弦長(即翼型的前後緣連線)與風輪旋轉平面的夾角。對於失速型定槳距風力機而言，槳距角β為一靜態角，該角度取決於葉片的安裝情況，對可變槳距風力機而言，可以通過調節槳距角β來改變葉片的攻角α。

攻角α是影響葉片氣動性能的關鍵參數之一，定義為葉素弦長與入流速度方向的夾角，對於一定葉片而言，α是一個動態角，其值將隨葉素的運動速度和風速變化。氣流通過風輪使其產生力矩，同時風輪對氣流也有影響。此時，葉素截面作用的氣流發生變化，氣流速度形成垂直和平行於風輪旋轉平面的兩個分量。引入切向氣流速度誘導因子a’和垂直風輪旋轉平面的軸向氣流誘導因子a，a’表示與旋轉平面平行的速度分量的變化，則距旋轉軸徑向距離為r處的速度分量的變化可表示為a'Ωr，a表示與旋轉平面垂直的速度分量的變化 ^[1]  。

提高功率不是要提高槳距角，調節槳距角的目的主要是：

（1）啓動，獲得比較大的啓動扭矩，來使葉輪克服驅動系統的空載阻力矩；

（2）限制功率輸出，在額定風速後，使功率平穩，保護機械和電路系統，同時可以降低載荷；

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

在風力機中，通過對槳距角的主動控制可以克服定槳距/被動失速調節的許多缺點。

變速恆頻變槳距控制的理論依據：

在風速低於額定風速時，槳葉節距角β=0°，通過變速恆頻裝置，風速變化時改變發電機轉子轉速，使風能利用係數恆定在Cpmax，捕獲最大風能；在風速高於額定風速時，調節槳葉節距角從而減少葉輪輸入功率，使發電機輸出功率穩定在額定功率。

在變槳距系統中，風能利用係數Cp是關於葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數。

如圖《風能特性曲線》所示可以總結出以下規律：

a) 保持λ一定，只改變槳距角β時，易知在槳距角β=0°時，C_P值最大。隨着槳距角β逐漸增大，風能利用係數Cp會明顯地減小。

b) 保持槳距角β不變，只改變葉尖速比λ值時，從圖中可以看出對某一槳距角角度，風能利用係數的最大值C_Pmax是唯一的；

風力發電機組在起動前，槳葉處於順槳狀態，槳距角為90°在風速大於切入風速時，槳葉向0°，方向轉過一定角度，使槳葉產生攻角，葉輪開始進入工作狀態。

依據風速的大小，風力發電機組的運行狀態可以分為兩種：

（1）最大風能捕獲階段

當風速超過切入風速，而未達到額定風速時，控制系統會根據風速的大小來調整發電機轉子的轉速，讓風力發電機組始終捕獲最大風能，跟蹤最佳功率曲線輸出功率。

（2）功率調節階段

當風速超過額定風速，而沒有達到切出風速，風力發電機組的輸出功率不斷增加，風機的輸出功率會超過額定功率，由於風力發電機組的機械和電氣自身的限制，發電機組的轉速和輸出功率不可能超過極限值。風能的利用率會隨着槳距角的增大而逐漸減小，風機的輸出功率也相應減小，因此通過調節槳距角就能降低輸出功率，使之維持在額定功率附近 ^[2]  。

風力發電機組運行一般存在 5 種工況，即起動區、最大風能追蹤區、恆轉速區、恆功率區、停機區。 下面對最大風能追蹤區、恆轉速區、恆功率區進行分析。 因不同工況下控制目標不同，故變槳距控制系統採取不同的控制策略，如圖《變速恆頻風力發電機的運行區域》所示。

(1) 最大風能追蹤區(AB 段)： 風速處於切入風速以上，但發電機未達到額定轉速。該區域內實行最大風能追蹤控制的變速運行，此風速區間，β =0°。

(2) 恆轉速區(BC 段)：發電機已達到額定轉速，但風速未達到額定值。 此時輸出功率繼續上升，通過轉速控制，使風力機組處於恆轉速運行狀態，但不對槳距角進行調節，β =0°。

(3) 恆功率區(CD 段)： 風速達到額定風速。 隨着風速的增大，風力機輸出功率不斷增大，此時，需在轉速控制的基礎上增加功率控制，調節槳距角，控制風力機對風能的吸收，使輸出功率不超過額定值。 此區域風電機組處於恆轉速、恆功率運行狀態 ^[3]  。