风力机组的控制系统是一个综合性的控制系统。随着风力机组由恒速定浆距运行发展到变速变浆距运行，控制系统除了对机组进行并网、脱网和调向控制外，还要对机组进行转速和功率的控制，以保证机组安全和跟踪最佳运行功率[8]。 2 风轮的结构设计
2.1 风轮设计中的关键技术-迎风技术
风速的大小、方向随时间总是在不断变化，为保证风轮机稳定工作，必须有一个装置跟踪风向变化，使风轮随风向变化自动相应转动，保持风轮与风向始终垂直。这种装置就是风轮机迎风装置。
(2-1) (2-2) 式中 P──风轮机输出功率， KW； ──空气密度， kg/ ； r ──风轮半径， m； ──风能利用系数 ； ──风速， m/s； n ──风轮转速， r/min；
由式（2-1）和（2-2）可知风轮机的输出功率与风速立方成正比，转速与风速一次方成正比。因此，风速变化将引起出力和转速的变化。
风轮迎风装置有三种方法：尾舵法、舵轮法和偏心法。
风向变化时，机身上受三个扭力矩作用，机头转动的摩擦力矩 ，斜向风作用于主轴上的扭力矩 ，尾舵轮扭力矩 。 与机头质量、支持轴承有关， 决定于风斜角 、距离L，尾舵力矩由下式近似计算
（2-3） 式中 ──尾舵升力、阻力合力系数 由实验曲线查得； ──尾舵面积， ；
──风轮的圆周速率，m/s； K──风速损失系数约0.75； L──尾舵距离，m。 机头转动条件
（2-4） 尾舵面积
（2-5） 式中 ──尾舵轮扭力矩， ； ──机头转动的摩擦力矩， ； ──斜向风作用于主轴上的扭力矩， ；
按上式设计的尾舵面积就可以保证风轮机桨叶永远对准风向。
舵轮法是用自动测风装置测定风向，按风向偏差信号控制同步电动机转动风轮，此方法也可保证风轮机桨叶永远对准风向。
在本设计中把尾舵取消增加桨叶轴与圆盘角度到7°角这样可以加大与斜向风的接触面积增大斜向风对主轴的转矩当斜向风的转矩为零时风轮机桨叶对准风向[7]。 2.2 风轮桨叶的结构设计 2.2.1 桨叶材料的选择
水平轴风力机的风轮一般由1～3个叶片组成（本设计中取6片桨叶），它是风力机从风中吸
收能量的部件。叶片采用实心木质叶片。这种叶片是用优质木材精心加工而成，其表面可以蒙上一层玻璃钢[9]。
在本设计中桨叶材料选用落叶松作为内部骨架，木材物理力学性能见下表。 表2-1 木材物理力学性能
Table 2-1 Physical and mechanical properties of wood 顺纹抗压强度 /MPa 顺纹抗拉强
/Mpa 强度极限/MPa 弹性模数/MPa 顺纹抗剪强度 /MPa
52.2 122.6 99.3 126× 径向 弦向 8.8 7.0
2.2.2 风轮扫掠半径的参数计算
任何种类风力机产生的功率可用下式表示：
风轮机功率 P= （2-6） 风轮半径
取 （2-7） 叶尖速比 （2-8）
风轮机转速 n= （2-9）
式中 P——输出功率（指额定工况下输出的电功率）（W）；P=5KW（给定值） ——空气密度（一般取大气标准状态）（kg/ ）； =1.25 kg/ （给定值） ——设计的风速（风轮中心高度处）（m/s）； =10m/s（给定值） A——风轮扫掠面积 ；
——风能利用系数； ＝0.45 （给定值） n——风轮机转速；n=50r/min （给定值） r——风轮半径(m) ——叶尖速比 n——风轮机转速(m/s) 2.2.3 风轮的半径分配问题
根据需要，圆盘轮毂半径取 0.45m，圆盘轮毂与桨叶间距取0.05m。 则桨叶长度
（2-10） 2.3 理想风能的利用
经风轮做功后的风也有一定流速和动能，因此风的能量只能被部分转化为机械能[2]。风轮前后流场如图2-2。
图2-2风轮前后流场
Figure 2 -2 Wind flow around 设
， ， (2-11) 由伯努利方程
(2-12) 作用在风轮上的轴向力
F=A( )= (2-13) A= (2-14) 式中 A ──桨叶扫过的面积， ㎡； ──空气密度， ； P ──风轮机功率， KW； ──平均风速， m/s； ──轮前风速， m/s； ──轮后风速， m/s； ──轮前压力， pa； ──轮后压力， pa； F ──轴向力， N； r ──风轮半径， m； 质量流量
（2-15） 桨叶中的平均风速等于轮前、轮后风速的平均值 （2-16）
从风能中可能提取的能量 是进出口风的动能差 （2-17） 已知输入风轮的能量为
（2-18） 风能利用系数
(2-19) 可能提取的能量
(2-20) 代入各值得
(2-21)
令 (2-22) 将式2-12代入下式得风能利用系数 (2-23) 可由式2-13求得风轮机风能利用系数 的极值。
进口风速 是已知的，对 求导，并令为零， ，求得风能利用系数 为极大值时的轮后风速 (2-24) 通过式2-13求得风能利用系数 的极大值为
=0.593 (2-25) 由式2-10得出最大理想可能利用的风能为 (2-26) 理想风轮机的能量密度
(2-27) 2.4 桨叶轴的结构设计计算 2.4.1 桨叶轴危险截面轴颈的计算
当风垂直吹过桨叶时风对桨叶轴的弯矩M由下式算得：
（2-28）
式中 F──风对桨叶施加的力，N ──风的密度， ──风速，m/s ──桨叶面积，
（2-29）
式中 H──桨叶的一半到桨叶轴危险截面的距离，m； M──桨叶轴危险截面处所受弯矩， ；
图2-4桨叶受力简图
Figure 2-4 Blade force schematic 桨叶轴所受扭矩如下式： （2-30）
式中 F──桨叶偏心面积所受风的吹力，N； h──桨叶轴中心到桨叶偏心面积中心线的距离，m； T──桨叶轴所受转矩， ；
桨叶轴的危险截面按弯扭合成强度条件校核见下式：
危险截面轴颈d取40mm
式中 ──许用抗拉强度极限， ； ──弯扭合成强度， ； M ──主轴弯矩， N； T ──主轴扭矩， N； ──当剪应力为脉动循环应变力时为0.6； W ──危险截面处的抗扭截面模量， ； ──许用弯曲应力， ；
d ──危险截面轴颈， mm； 2.4.2 桨叶轴各轴段轴颈的结构设计计算
桨叶轴从左至右安装零部件分别为：桨叶轴复位斜板、桨叶轴支撑轴承座、轴套、光轴、轴向固定螺母、垫片、桨叶轴支撑轴承座、光轴、加强钣金、桨叶夹槽[7]。所以轴颈分布如下：
图2-5 桨叶轴轴颈分布
Figure 2-5 Paddle axle parts map 2.5 风力发电机组的功率调节问题
功率调节是风力发电机组的关键技术之一。风力发电机组在超过额定风速（一般为12～16m/s；）以后，由于机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制，必须降低风轮的能量捕获，使功率输出仍保持在额定值的附近。这样也同时限制了桨叶承受的负荷和整个风力机受到的冲击，从而保证风力机安全不受损害。功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距角调节和混合调节三种方式[8]。
1）定桨距失速调节 定桨距是指风轮的桨叶与轮毂是刚性连接，叶片的桨距角不变。当空气流流经上下翼面形状不同的叶片时，叶片弯曲面的气流加速，压力降低，凹面的气流减速，压力升高，压差在叶片上产生由凹面指向弯曲面的升力。如果桨距角 不变，随着风速 增加，攻角 相应增大，开始升力会增大，到一定攻角后，尾缘气流分离区增大，形成大的涡流，上下
翼面压力差减小，升力迅速减少，造成叶片失速（与飞机的机翼失速机理一样），自动限制了功率的增加[8]。
图2-6桨叶失速前的状态图
Figure 2 -6 Blade stall before the state chart
因此，定桨距失速控制没有功率反馈系统和变桨距角伺服执行机构，整机结构简单、部件少、造价低，并具有较高的安全系数。缺点是这种失速控制方式依赖育叶片独特的翼型结构，叶片本身结构较复杂，成型工艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力大，使得叶片的刚度减弱，失速动态特性不易控制，所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组的功率控制上[8]。
2）变桨距角调节 变桨距角型风力发电机能使风轮叶片的安装角随风速而变化，风速增大时，桨距角向迎风面积减小的方向转动一个角度，相当于增大桨距角 ，从而减小攻角 ，风力机功率相应增大。
变桨距角机组启动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的启动性能和功率输出特性都有显著改善。变桨距角调节的风力发电机在阵风时，塔架、叶片、基础受到的冲击，较之失速调节型风力发电机组要小得多，可减少材料，降低整机质量。它的缺点是需要有一套比较复杂的变桨距角调节机构，要求风力机的变桨距角系统对阵风的响应速度足够快，才能减轻由于风的波动引起的功率脉动[8]。
3）混合调节 这种调节方式是前两种功率调节方式的组合。在低风速时，采用变桨距角调节，可达到更高的气动效率；当风机达到额定功率后，使桨距角 向减小的方向转过一个角度，相应的攻角 增大，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。这种方式变桨距调节不需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率相对可以较小[7]。 2.6 风轮桨叶的复位弹簧参数计算
1）当6级风时V＝12m/s；此时桨叶所受力 （2-31）
式中 V——风速 m/s (给定值) ； A——桨叶的迎风面积 ；
H——桨叶轴作用点到桨叶受力中点的距离 m； T——桨叶受到的转矩 。 取L=20mm时
（2-32） 式中 —— 弹簧最小工作载荷 N 2）当V＝16m/s时，此时桨叶所受力
（2-33） （2-34） （2-35） F总= = （2-36） 式中 —— 弹簧最大工作载荷 N 3） 工作行程
（2-37） h= （2-38） =34.64 1=35mm
图 2-7 桨叶复位弹簧工作示意图
Fig.2-7 The working sketch map of the replacement spring of blade