风电机组变桨系统的形式_风电机组变桨系统原理与维护

风能作为一种无污染的可再生能源，其开发具有巨大的经济、社会、环保价值和发展前景，对它的利用已受到世界各国的高度重视。在早期的风电机组主要以定桨距机组为主，由于其机组的转速不能随风速改变导致风能利用率低、风速突变时对支撑部件具有很大的负载波动冲击和并网时可能带来较大电流冲击等缺点，逐步被变桨距风电机组所取代。变桨距风电机组通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音，稳定发电机的输出功率，改善桨叶和整机的受力状况，同时比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性。

变桨距技术是指借助控制技术和动力系统，根据风速和发电机转速来改变转子系统上叶片的桨距角的大小，来达到控制发电机的输出功率的目的。随着风电技术的不断成熟与发展， 目前采用的风轮的变桨技术既能保证风电机组运行的稳定性，减轻风电机组的重量，又能提高其风能转化系数和改善功率曲线，使风电机组在不同风速下始终保持最佳的风能捕获效果，从而提高系统性能。大容量的风力机组大多采用变桨距调节1-6。变桨距技术对机组的运行状态起着非常关键的作用，对机组稳定、经济运行具有重要的意义。

一、风电机组变桨的工作原理

风电机组的叶片将随机的动态风能转换为转系系统的的机械旋转能，作为发电机的输入来驱动发电机转动并产生电能。风机转子的运行不仅决定了整个风力发电系统的输出功率，而且直接影响机组的稳定优化运行。所以风机的运行特性是确定风电机组控制策略的重要依据。

二、风电机组变桨系统的形式

变桨系统是变桨型风电机组的关建子系统，目前全球大型风电机组的变桨系统根据动力形式主要有两种方案：液压变桨系统和电动变桨系统。液压变桨系统的执行结构具有单位体积小、重量轻、动态响应好、转矩大，无需变速机构且技术成熟等优点，Vestas、Gamesa， Siemens等公司的风机采用了液压变桨技术。随着电力电子技术的发展，电动变桨系统以适应能力强、响应快、精度高、结构简单、无泄露、无污染和维护方便等优点近年来得到了广泛的应用，Enercon、 Repower、 Nordex等公司的风机都是采用的电动变桨技术。液压变桨系统和电动变桨系统在功能上没有优劣之分，但是两者由于执行机构不同，在性能上各有其特点。

（1）液压变桨系统

液压变桨系统利用液压缸作为原动机，在传递介质液压油的作用下，液压缸的运动带动连杆机构来推动叶片旋转，节距角的变化同液压缸位移基本成正比。主控系统根据传感器反馈的发电机转速或功率，通过滑环和总线向变桨控制系统发送桨距角指令，变桨控制系统根据主控系统的指令给出相应的信号，来控制比例阀输出流量的大小和方向。液压系统的液压缸根据比例阀输出的流量和方向来驱动叶片的角度在-5 +90“之间变化。控制框图如图4所示。变桨系统是一个伺服系统，通过PI控制，D/A转换后变成电压信号来控制比例阀的流量，不同的流量使液压缸产生不同的运动，从而使叶片的桨距角发生变化，同时采用位移传感器检测液压缸的位移，将测出的值转换后输人到比较器。

对于兆瓦级的风力发电机组，液压变桨系统应该满足如下要求：

1）驱动力大，油路的安装检修方便，有足够的强度和精度，安全可靠;

2）系统能在低温环境中正常工作;

3）系统正常开桨速度与收桨速度基本相当;4、系统具有掉电能实现自动收桨功能。

1、液压变桨系统的构成

液压变桨系统的构成简图如图5所示。该系统的主要元器件有油箱、泵、蓄能器、液压管路和三套独立的变桨装置等，在本图中仅显示了一套变桨装置，其中，20为齿轮式液压泵，M为驱动泵的电机，8， 9，10分别为动力单元蓄能器、变桨系统蓄能器和变桨单元的蓄能器，15为比例电磁阀，C为液压缸，18为直线位移传感器用于间接反馈角度。

2、液压变桨系统的工作过程

为了达到将液压缸的直线运动转化成叶片的旋转运动，在实际的风电机组上将液压缸的一端固定在轮毂内，另外-端通过活塞杆连接到叶片根部的变桨轴承外圈的切线上。

正常启动时变桨过程为：电磁阀11、12、 13和14上电，比例阀15的交叉线圈通电使P与B、A与T连通，液压油经过的路径为：泵20-单向阀2-旋转接头一单向阀3-电磁阀11 -比例阀15的P-B端-单向阀6-液压缸的B端，从而推动活塞杆右移液压缸A端的液压油经过-电磁阀14-比例阀15的A-T，最终回到油箱。

正常收桨时的变桨过程为：电磁阀11、12、13上电，比例阀15的另外一组交叉线圈通电使P与A、T与B连通，液压油经过的路径为：泵20-单向阀2 -旋转接头-单向阀3-电磁阀11 -比例阀15的P-A端-电磁阀14-液压缸的A端，液压缸B端的液压油通过单向阀5-电磁阀11回到压力管内，从而使液压缸的活塞向左移动。

紧急收桨的过程为：在紧急情况下，液压变桨系统需要紧急收桨，电磁阀12，13采取完全打开或完全关闭来实现这些动作，这时电磁阀11，12，13和14全掉电，液压油的路径为：蓄能器10-流量控制阀17-电磁阀12-单向阀7-液压缸的A端，液压缸B端的油经过电磁阀13、带控制端的泄压阀16再回到油箱。

为了使收桨速度不至于过快，在液压回路中增加了带控制端的泄压阀16，当紧急收桨时，泄压阀16的控制端的压力随着液压缸A端的压力下降而变化，其能控制回路液压油的流量，从而保证平稳收桨。紧急收桨的速度一般在10^/s左右。

液压变桨系统执行结构如图6所示。1为轮轂，2为偏心块，3为活塞杆，4为桨叶，5为回转支承，6为油缸，7为油缸座，8为阀块，9为内压板。

从图6可以看出，风电机组的每个桨叶都有-套独立的液压驱动系统，一个桨叶出现故障时，其他两个桨叶仍能正常工作，增加了系统的安全性。

3、液压变桨系统的优点：

1 ）液压驱动变桨距系统具有相应快、刚度大、扭矩大、运行平稳、可与偏航、制动等系统共用油源便于集成化布置等优点;

2）液压阻尼的存在可以吸收叶片转轴上面的冲击转矩，对叶片及风机本身起到很好的减震缓冲效果;

3）液压变桨系统采用的轴承更简单，结构更强。液压变桨系统的缺点：

1 ）油液存在泄露问题，故障排查较难，泄露的油液易弓|起火灾;

2）由于振动的存在，密封圈及导向环很容易被磨损，

3）液压变桨系统价格昂贵，系统比较复杂，变桨速度慢于电动变桨;

4）当液压油有杂质后阀芯易发生卡涩甚至“卡死”，维修保养比较困难，停机状态不能得到及时解决;

6）液压油，过滤器需定期检测、更换;

7）旋转接头质量、油管连接要求高，夏天部件出故障概率高。

（2）电动变桨系统

电动变桨系统是通过桨距角控制器得到的桨距角指令，把桨距角指令转换为伺服电机的控制信号，驱动伺服电机来带动变桨减速器输出小齿转动，从而带动与叶片相连的变桨轴承旋转。

1、电动变桨系统的构成

电动变桨距系统一一般包括变桨控制系统、伺服驱动系统、电动机、减速器、备用电源、传感器和变桨轴承等。这些部件均安装在轮毂内或轮毂上。

变桨控制系统是整个伺服系统的核心，把来自主控系统的桨距角命令值发送到各变桨伺服驱动系统，并通过滑环连接通讯总线把桨距角实际值和运行状况反馈到主控系统，从而实现位置控制、速度控制、转矩控制。伺服驱动系统采用三相全桥不可控整流，三相正弦PWM逆变器变频的AC-DC-AC机构。为避免通电时出现大的瞬时电流以及电机制动时产生很高的泵生电压， 设有能耗泄放电路。电动机可采用直流电机、交流电机或永磁电动机作为驱动动力源。减速器通过输出端的祛兰固定在轮毂内，其用于将电机输出较高的速度减速为能够驱动变桨轴承合适的速度，带动桨叶进行转动，实现了改变桨距角的目的。备用电源可以为蓄电池或超级电容，其作用是在电网掉电或用于驱动的电源出现故障时，安全链断开，紧急启动备用电源来紧急收桨达到安全停机的目的。传感器包括旋转编码器、角度编码器和限位开关。旋转编码器安装在电动机输出轴上，采集电动机转动角度。角度编码器安装在轮毂边上，与变桨轴承的内齿圈相啮合，直接检测内齿圈转过的角度，也就是叶片桨距角变化的角度。限位开关也安装在轮毂靠近变桨轴承的边上，起限位作用，确保叶片不超过安全位置。变桨轴承外环固定在轮毂上，内环与叶片根部相连，减速器的输出小齿与轴承的内圈相啮合。电动变桨系统构成图和实物图分别如图7，8所示。

2、电动变桨系统工作过程

正常变桨时，变桨控制系统通过总线接收主控系统的变桨指令，同时发给驱动系统来驱动电动机转动，电动机通过减速器减速后带动变桨轴承内圈转动，从而实现了叶片的转动来改变桨距角。驱动系统通过改变变频器输出电压的相序，就能够改变伺服电动机的转向，通过电动机的正、反转使桨叶向90或0方向连续变桨。

紧急收桨时，变桨控制系统通过总线接收主控制系统的紧急收桨指令，同时将指令发给驱动系统，驱动系统的变频器输出较高频率使电动机高速转动，通过减速器的输出小齿带动变桨轴承内圈快速旋转，从而达到快速收桨的目的。一般紧急收桨的速度达到10*-12*/s。

在实际应用中，由于叶片具有较大的惯性，为了防止变桨速度过快，一般在伺服电机驱动系统中的直流母线上加装制动电阻，来消耗电动机转速超过同步速度后产生的多余能量，从而达到制动的目的。在电机轴的末端还有一组电磁制动器，其作用是为到达目标位置的叶片提供刹车。

3、电动变桨系统的优点：

1 ）电动驱动变桨距系统技术成熟、结构简单、无泄露、控制精度高、响应快;

2）维护方便，轮毂内干净; weshl

3）故障容易排查。电动变桨系统的缺点：

1）随着机组容量的增大，电机惯量也增大，使动态响应特性变坏，而且频繁的调节桨叶，容易使电机因过热而损坏，元器件也易的烧损;。

2）驱动系统和动力系统都在轮毂内，增加了风轮重量和减小了轮毂内作业的空间;

3）动力电缆、控制电缆和信号电缆较多，增加轮毂内部布线的难度;

4）当多次频繁断网会耗尽备用电池，可能会出现不能顺桨的问题;

5）变桨系统采用带齿的轴承，易磨损。

三、风电机组变桨的检查与维护

1、变桨减速机与小齿轮

1.1外表检查

（1）检查变桨减速机表面的防腐涂层是否有脱落现象，如有脱落需修复，修复方法见附件四；

（2）检查变桨减速机油位镜是否完好；

（3）检查小齿轮表面是否点蚀、过度磨损和断齿。

1.2 噪音检查

手动对每个叶片进行变桨，检查变桨减速机是否存在噪音。

1.3 齿隙检查

（1）用塞尺检查变桨小齿轮与变桨齿圈的啮合间隙，正常啮合间隙0.3～0.9mm。

（2）齿隙测量方法：首先确保变桨齿圈一个齿的一侧齿面与小齿轮的对应齿面完全啮合（如图1），然后用塞尺测量小齿轮该齿的另一侧与变桨齿圈的最小啮合间隙。

1.4 减速机/轮毂安装螺栓力矩检查以规定力矩检查变桨减速机/轮毂安装螺栓，抽检力矩值依照设计要求而定。

1.5 变桨减速机油位检查

检查变桨减速机润滑油油位是否正常（油位应位于观察窗中部），如果油位偏低，检查变桨减速机是否漏油，并补充润滑油。修复工作和加油工作完成后，将减速机清理干净；

注意：在加油或检查油位过程中减速机应置于六点位置。

减速机润滑油补充及更换方案（各变桨减速机润滑油补充流程相同，主要区别在于各品牌减速机的加油口位置和密封形式略有不同）：

注意：加注润滑油时防止将异物掉入减速机内，换油排油应在热机状态下进行，当环境温度过低时，应加入适量预热过的新油对减速机进行冲洗。

（1）用毛巾清理干净加油嘴及其周围的灰尘油污；

（2）旋下加油塞并将其倒置于一块干净的毛巾上；

（3）将油顺着加油嘴倒入减速机内（由于加油嘴较小，实际加油时可使用干净的大号针筒作为加油工具），边加油边通过油位镜观察油位；

（4）当油位接近正常油位时，停止加油（可事先在正常油位处用记号笔作一标记）；

（5）将加油塞擦干净并旋到加油嘴上，拧紧；

（6）运行减速机5min，观察加油嘴处是否有渗漏现象，如有加以处理；

（7）停转减速机再次观察油位，如油位达到正常值加油工作结束，如未能达到要求重复步（2）~（6），直到油位满足要求。

（8）如更换润滑油，可将需更换润滑油的减速机处于10点或者2点钟位置，将空的容器置于减速机油塞正下方，旋下加油塞，让润滑油流入容器内。待润滑油全部流光后，用毛巾清理干净加油嘴及其周围，旋回加油塞。待减速机转回6点钟位置时进行步骤（1）-（7），完成润滑油的补充工作。

2、变桨电机检查与维护

（1）检查变桨电机表面的防腐涂层是否有脱落现象，如有脱落需进行修复，修复方法见附件四；

（2）检查变桨电机电缆的外观和固定情况，如有电缆破损或固定松动情况必须马上处理；

（3）手动对每个叶片进行变桨，检查变桨电机是否存在噪音；

（4）检查变桨电机/变桨减速机安装螺栓。

3、变桨控制柜检查

（1）检查三角支架固定卡簧是否完好；

（2）检查各连接电缆绝缘层是否老化、破损；

（3）以规定力矩检查变桨控制柜/轮毂安装螺栓；

（4）检查弹性支撑是否老化或出现裂纹，如有上述情况，必须立即更换。

（5）打开变桨控制柜，目测电气元件是否有明显的器件烧毁和线路固定不牢等问题。如有问题，及时查找、分析原因并及时处理和记录。

（6）用内六角或扳手紧固变桨柜之间电缆保护套的线卡，确保无松动，避免电缆及电缆保护套磨损。如果有电缆晃动问题，必须用扎带固定。检查变桨控制柜背面接线插头的固定。

（7）检查变桨电机电源线、编码器线、刹车线的固定，确保绑扎带无断裂脱落现象，确保接线无松动，确保葛兰头无松动。

4、附件的检查

（1）限位开关是否完好，固定是否牢固；

（2）接近开关是否完好；

（3）接近开关与感应片距离是否合适（3-5mm）；

（4）检查极限工作位置和接近开关处的感应片安装螺栓是否牢固；

（5）检查极限工作位置和接近开关处的感应片是否变形（弯折角度近似90度为正常）。