3按功率调节方式分类

3.1 定桨距风力发电机

定桨距失速型风电机组的典型代表是丹麦的NEG MICON公司生产的600/700/750kW机组，该机组也是我国目前装机数量最多的机型之一。定桨距风力发电机组的主要结构特点是，桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶节距角不能随之变化。这一特点使得，当风速高于风轮的设计点风速(额定风速)时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，桨叶的这一特性称为自动失速性能。运行中的风力发电机组在突甩负载的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。20世纪70年代失速性能良好的桨叶的出现，解决了风力发电机组的自动失速性能的要求，以及20世纪80年代叶尖扰流器的应用，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，这些使得定桨距失速型风电机组在过去20年的风能开发利用中始终处于主导地位，最新推出的兆瓦级风电机组仍有机型采用该项技术。

定桨距失速型风电机组的最大优点是控制系统结构简单，制造成本低，可靠性高。但失速型风电机组的风能利用系数低，叶片上有复杂的液压传动机构和扰流器，叶片质量大，制造工艺难度大，当风速跃升时，会产生很大的机械应力，需要比较大的安全系数。

定桨距失速型风电机组主要由以下几部分组成：叶轮、增速机构、制动机构、发电机、偏航系统、塔架、机舱、加温加压系统以及控制系统等。

定桨距风电机组的执行机构包括液压系统和偏航系统[3]。液压系统是制动系统的驱动机构，主要用来执行风力机的开关指令;偏航系统使风轮轴线与风向保持一致。

功率输出功率的特点

风力发电机组的输出功率主要取决于风速，同时也受气压、气温和气流扰动等因素的影响。定桨距风机桨叶的失速性能只与风速有关，直到达到叶片气动外形所决定的失速调节风速，不论是否满足输出功率，桨叶的失速性能都要起作用。定桨距风机的主动失速性能使得其输出功率始终限定在额定值附近。

同时，定桨距风电机组中发电机额定转速的设定也对其输出功率有影响。定桨距失速型风电机组的节距角和转速都是固定不变的，这使得风电机组的功率曲线上只有一点具有最大功率系数，对应于某个叶尖速比。当风速变化时，功率系数也随之改变。而要在变化的风速下保持最大功率系数，必须保持发电机转速与风速之比不变，而在风力发电机组中，其发电机额定转速有很大的变化，额定转速较低的发电机在低风速下具有较高的功率系数，额定转速较高的发电机在高风速时具有较高的功率系数。

图5 风力机输出机械功率和机械角速度间的关系曲线

图5为定桨距失速型风电机组的功率曲线图，从图5中可以看到，定桨距风力发电机组在风速达到额定值以前就开始失速，到额定点时的功率系数已经相当小。调整桨叶的节距角，只是改变桨叶对气流的失速点。节距角越小，气流对桨叶的失速点越高，其最大输出功率也越高。故定桨距风力机在不同的空气密度下需要调整桨叶的安装角度。

3.2变桨失速型风力发电机组

变桨距失速型风电机组的典型代表是Vestas公司生产的V39/V42/V44-600kW机组。变桨距风轮运行是通过改变桨距角，使叶片剖面的攻角发生变化来迎合风速变化的，从而在低风速时能够更充分的利用风能，具有较好的气动输出性能，而在高风速时，又可通过改变攻角的变化来降低叶片的气动性能，使高风速区风轮功率降低，达到调速限功的目的。

3.2.1变桨失速型风力发电机组运行方式

变桨距风力发电机是指整个叶片围绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角在一定范围内(一般为0～90度)变化，以调节输出功率不超过设计容许值。变桨距风电机组出现故障需停机时，一般先使叶片顺桨，使之减小功率，在发电机与电网断开之前，功率减小至零，这也就是说，当发电机与电网脱开时，没有转距作用于风力发电机组，避免了在定桨距风力发电机组上每次脱网时所要经历的突甩负载的过程。由于变桨距叶片一般叶宽小，叶片轻，机头质量比失速机组小，不需要很大的刹车，所以其起动性能较好。变桨距风电机不需要昂贵的刹车系统，但是它却增加了一套变桨距机构，从而增加了故障发生的机率，而且在处理变桨距机构叶片轴承故障时，难度很大，所以其安装、维护费用相对偏高。

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)起动状态 当变桨距风电机的风轮从静止到起动，且发电机未并入电网时都被称为起动状态，这时变桨距的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按一定的速度上升斜率给出速度参考值，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，在这个控制过程中，转速反馈信号与给定值进行比较，当转速超过发电机同步转速时，桨叶节距角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。

2)欠功率状态 当转速在同步转速附近保持一定的时间后发电机即并入电网，这时如果风速低于额定风速，那么这种状态就是欠功率状态。这时的变桨距风力发电机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。

3)额定功率状态 当发电机并入电网，且风速大于 额定风速时，风力发电机组就进入额定功率状态，这时变桨距控制方式由转速控制切换到功率控制，具体的说，就是功率反馈信号与给定值(额定功率)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。

3.2.2 变桨距风力发电机组输出功率的特点

对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，所以即使风速超过额定点，其额定功率仍然具有较高的功率系数，功率曲线在额定点后也相对平稳，不但保证了较高的发电量，而且有效地减少了风力发电机因风速的变化而造成的对电网的不良影响，相比之下，更具优越性。另外，变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，额定风速比定桨距风力发电机组的要低。

变桨距风力发电机比定桨距风力发电机更具优越性。事实上，变桨距风力发电机正是基于定桨距风力发电机的运行可靠的基础上，逐步发展起来的。但是由于变桨距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到了20世纪90年代中期，基于变距技术的各种变速风力发电机组逐步研制成功并开始进入风电场。这种风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量进行转速和功率控制的，所以与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于：低风速时它能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能;高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳，尤其是解决了高次谐波与功率因数等问题，达到了高效率、高质量地向电网提供电力的目的。因此，我们期待这种新型的变速风力发电机组能快速实现商品化、产业化，尽早进入我国风力发电场。