桨距角

桨叶距离上的夹角

桨距角（Pitch Angle）也称节距角，出自航空的螺旋桨，顾名思义，就是桨叶距离上的夹角，主要原因是为了找一个参考平面，而这个平面又很容易被区分，所以找到了桨叶最顶端的截面，风机上的桨距角指的是叶片顶端翼型弦线与旋转平面的夹角。风力机采用变桨距控制，通过调整叶片迎风角度，来进行功率调整的方式，桨距角β是指风机叶片与风轮平面夹角。

简介

对于一定的叶片而言，桨距角β是一个重要的参数。β定义为叶素弦长(即翼型的前后缘连线)与风轮旋转平面的夹角。对于失速型定桨距风力机而言，桨距角β为一静态角，该角度取决于叶片的安装情况，对可变桨距风力机而言，可以通过调节桨距角β来改变叶片的攻角α。

攻角α是影响叶片气动性能的关键参数之一，定义为叶素弦长与入流速度方向的夹角，对于一定叶片而言，α是一个动态角，其值将随叶素的运动速度和风速变化。气流通过风轮使其产生力矩，同时风轮对气流也有影响。此时，叶素截面作用的气流发生变化，气流速度形成垂直和平行于风轮旋转平面的两个分量。引入切向气流速度诱导因子a’和垂直风轮旋转平面的轴向气流诱导因子a，a’表示与旋转平面平行的速度分量的变化，则距旋转轴径向距离为r处的速度分量的变化可表示为a'Ωr，a表示与旋转平面垂直的速度分量的变化。

调节目的

提高功率不是要提高桨距角，调节桨距角的目的主要是：

（1）启动，获得比较大的启动扭矩，来使叶轮克服驱动系统的空载阻力矩；

（2）限制功率输出，在额定风速后，使功率平稳，保护机械和电路系统，同时可以降低载荷；

（3）刹车，提供很大的气动阻力，使叶轮的转速快速降低，避免机械刹车造成的惯性力太大而造成的伤害。

在风力机中，通过对桨距角的主动控制可以克服定桨距/被动失速调节的许多缺点。

变速恒频变桨距控制的理论依据：

在风速低于额定风速时，桨叶节距角β=0°，通过变速恒频装置，风速变化时改变发电机转子转速，使风能利用系数恒定在Cpmax，捕获最大风能；在风速高于额定风速时，调节桨叶节距角从而减少叶轮输入功率，使发电机输出功率稳定在额定功率。

关系

在变桨距系统中，风能利用系数Cp是关于叶尖速比λ和桨距角β的非线性函数。

如图《风能特性曲线》所示可以总结出以下规律：

a) 保持λ一定，只改变桨距角β时，易知在桨距角β=0°时，CP值最大。随着桨距角β逐渐增大，风能利用系数Cp会明显地减小。

b) 保持桨距角β不变，只改变叶尖速比λ值时，从图中可以看出对某一桨距角角度，风能利用系数的最大值CPmax是唯一的；

风力发电机组在起动前，桨叶处于顺桨状态，桨距角为90°在风速大于切入风速时，桨叶向0°，方向转过一定角度，使桨叶产生攻角，叶轮开始进入工作状态。

依据风速的大小，风力发电机组的运行状态可以分为两种：

（1）最大风能捕获阶段

当风速超过切入风速，而未达到额定风速时，控制系统会根据风速的大小来调整发电机转子的转速，让风力发电机组始终捕获最大风能，跟踪最佳功率曲线输出功率。

（2）功率调节阶段

当风速超过额定风速，而没有达到切出风速，风力发电机组的输出功率不断增加，风机的输出功率会超过额定功率，由于风力发电机组的机械和电气自身的限制，发电机组的转速和输出功率不可能超过极限值。风能的利用率会随着桨距角的增大而逐渐减小，风机的输出功率也相应减小，因此通过调节桨距角就能降低输出功率，使之维持在额定功率附近。

调节控制

风力发电机组运行一般存在 5 种工况，即起动区、最大风能追踪区、恒转速区、恒功率区、停机区。下面对最大风能追踪区、恒转速区、恒功率区进行分析。因不同工况下控制目标不同，故变桨距控制系统采取不同的控制策略，如图《变速恒频风力发电机的运行区域》所示。

(1) 最大风能追踪区(AB 段)：风速处于切入风速以上，但发电机未达到额定转速。该区域内实行最大风能追踪控制的变速运行，此风速区间，β =0°。

(2) 恒转速区(BC 段)：发电机已达到额定转速，但风速未达到额定值。此时输出功率继续上升，通过转速控制，使风力机组处于恒转速运行状态，但不对桨距角进行调节，β =0°。

(3) 恒功率区(CD 段)：风速达到额定风速。随着风速的增大，风力机输出功率不断增大，此时，需在转速控制的基础上增加功率控制，调节桨距角，控制风力机对风能的吸收，使输出功率不超过额定值。此区域风电机组处于恒转速、恒功率运行状态。

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