圖 3-7 風機運轉風速範圍
對於風力發電機組輸出功率的控制，依葉片槳距角是否變動，可 分為定槳距和變槳距；依風機轉速改變與否，可分為定速和變速。無
論是採用定槳距(失速調節)、變槳距、定速或變速控制技術，其主要 控制對象是高、低風速區，風力發電機的輸出功率。在額定風速以下 時的低風速區，控制要點為命令風機由風中擷取最大能量，即要求在 風速變動下，保持效能係數在最大值；在額定風速以上時的高風速區，
控制要點為命令風機輸出保持在額定值附近。
定槳距風力發電機的主要結構特點為葉片固定於輪轂上，無法隨 風速變化改變葉片的迎風角度或槳距角。由氣體動力學的角度來看，
由於在高風速區時，僅依賴葉片失速的特性，將功率的輸出值限制在 額定值附近，無法主動精準的控制，在低風速區時，因轉速固定，無 法在各風速下獲得最大效能係數，因此效率比使用變速控制之風機差。
由於槳距角不隨風速而改變，故風速的增加使攻角角度也隨著變 大，葉面上下的氣流開始分離而形成渦流，使上下葉面的壓力差減少，
造成失速，限制了功率的增加。失速調節的葉片攻角在設計上會由根 部向葉尖逐漸減少，型成扭曲型葉片，因此，當風速增加超出設計值 時，會由根部的地方開始失速，隨著風速的上升，失速的部分往葉尖 方向擴展，由於力臂愈長力矩愈大，愈往葉尖的失速效果愈好，且原 先已失速的部分失速程度更加嚴重，藉此將輸入功率保持在額定功率 附近。因無需對葉片槳距角和轉速做控制，其風機可靠性與簡單的結 構均是此技術歷久不衰的原因。
根據風能轉換的原理，風機輸出功率雖然主要取決於風速，但亦 與氣壓、氣溫和氣流的擾動有關，而葉片的失速只與風速的大小有關，
因此採用失速調節的定槳距風機在失速時無法總是處在設計的額定功 率值上，例如夏季時因氣溫較冬季高，空氣密度較低，風機失速時功 率未達額定，輸出功率自然較設計時少。因此在冬夏季之間需對葉片
槳距角做一番調整，此舉無疑增添操作上的麻煩。為解決此一問題，
製造商採用主動失速調節，在風機到達額定輸出功率時，主動調節葉 片使失速發生。
單純從空氣動力學的角度思考，唯有改變葉片的攻角來控制空氣 動力轉矩方可確保功率的穩定輸出。變槳距風力發電機組依照功率的 輸出做為控制迴授值，以主動改變槳距角的方式改變攻角，使其在高 風速區時的功率輸出特性較採用失速調節的定槳距發電機組平穩，且 不受溫度，溼度等外在條件的影響。在啟動與制動方面，改變槳距角 可獲得最大的啟動與制動能力。但是隨著風力機組的容量增大，風機 自身的慣性也隨之增加，使得響應速度受限的變槳距調節控制技術對 於變化快速的陣風無法達到即時控制的效果。因此大型變槳距風力發 電機組除了變槳距控制外，還會搭配轉速控制，透過控制轉子電流改 變轉差，使轉速隨風速改變，平衡風速變動中的高頻分量，彌補變槳 距控制響應速度的不足。
轉速的固定，造成風力發電機組只有在某一特定風速下才會產生 最大的效能係數，若要在變動的風速下保持最大的效能係數，則必需 維持一定的尖速比，即風機轉速必須隨著風速做改變。
變轉速技術除補償變槳技術響應速度的不足外，對於提升低風速 區的風能擷取效率也有助益。如圖 3-8 所示，縱軸為風機輸出功率，
橫軸為風機轉速。在低風速區時，若風機使用定轉速控制，隨著風速 的增加(u
3
、u2
、u1
)，其工作點變為 E、C、F，轉速仍固定於ω
2。由圖 中可知此風機在風速為u
2時，效能係數保持在此風速下的最大值，擷 取效率最高。當風機採用變轉速控制時，可配合風速的變動，適當的 改變轉速，獲得各風速時的效能係數最大值，擷取不同風速時的最大能量，提高風機的整體效率。
P
1P
2P
3P
4ω1
ω2
ω3
ω4
u
1u
2u
3u
4轉子角速度
風機輸出功率
4 3 2
1
u u u
u
> > >A B
C D
E F
圖 3-8 風機輸出功率對轉子速度關係圖
近年來，隨著風力發電技術以及電力電子技術的蓬勃發展，變槳 距與變速形風力發電機組已成為大型風力發電機組的主流機型。除了 以改變槳距角的方式來確保功率輸出，風機轉速的控制也可使其在不 同風速下，皆能得到最徍的效能係數，即最佳的風能轉換效率。目前 變轉速風力發電機組主要採用雙饋式感應發電機，以及低速永磁同步 發電機。
雖然採用變槳距技術與變速恆頻技術之風力發電機組在輸出功率 的控制上優於定槳距風力電機組，但是可靠度較低，且控制系統與伺 服系統的複雜度與成本高，因此定槳距風力發電技術在風機發展過程 中佔據了長時間的領導地位。
3.5 風力發電機的種類與電氣特性
風力發電機的種類與電氣特性風力發電機的種類與電氣特性風力發電機的種類與電氣特性以下介紹三種常見的風機，其中定速型有 DCSIG，變速型有 DFIG 和永磁式同步發電機。
DCSCIG 由固定槳距之葉片、齒輪箱和鼠籠式感應發電機(SCIG) 構成，發電機定子線圈連接到電網，如圖 3-9 所示。轉子速度變化率
非常小(只有 1~2%)，而鼠籠式感應發電機所需的虛功率，可由外加的 補償虛功率電容器所抵消。