风电机组变桨系统原理与维护，变桨

本文介绍了大功率风电机组广泛使用的电动、液压两种变桨系统结构和原理，并对风机运行过程中出现变桨系统典型故障的原因进行了分析。提出了不同类型变桨系统应新增的维护工作要点。　目前，我国已投运ＭＷ级以上风电机组均采用了变桨距技术。变桨距调节是指风机可以沿桨叶的纵轴旋转叶片，改变桨叶位置，控制风轮的能量吸收，使风机保持一定的输出功率，在紧急情况下动作顺桨，减少风机载荷或实现空气制动。　同定桨距风机相比，变桨距机组可以根据风速的大小调节气流对叶片的攻角，具有在额定功率点以上功率输入平稳、相同功率机组额定风速低、叶片结构简单、自启动性能和制定性能好，安全性高等优点。同时，变桨距控制与变频技术相配合，提高了风力发电机的发电效率和电能质量，使风力发电机组在各种工况下都能够获得最佳的性能，减少风力对风机的冲击，因此变桨系统控制与变频控制一起构成了兆瓦级变速恒频风力发电机的主要控制技术。　　两种变桨系统原理与结构　变桨系统是安装在风机轮毂内作为空气制动或通过改变叶片角度对机组运行进行功率控制的装置，是风电机组重要的控制和保护装置。变桨系统按执行机构进行分类主要有两种：即液压变桨系统和电动变桨系统，在控制方式上分为三叶片统一变桨和独立变桨两种。大功率风电机组通常采用独立变桨控制，通过每支叶片独立地变化桨距角，可以有效解决桨叶和塔架载荷不均匀问题。　上述两种变桨系统各有优点，液压变桨系统具有传动力矩大、重量轻、定位准确 、执行机构动态响应速度快等特点。国内主流风电机组中Vestas和Gemesa机型在采用了液压变桨系统。但液压变桨系统对工作环境和液压系统油路组件、阀块品质要求较高。一旦系统泄漏对风机及环境污染严重。电动变桨系统具有适应能力快、响应快、精度高、无泄漏无污染等特点。金风、东汽、华锐、联合动力等机型均采用电动变桨系统，电动变桨缺点是控制系统复杂。后备UPS电源需定期维护和更换。　1/液压变桨系统　液压变桨又称电—液伺服变桨系统，变桨系统主要由液压泵站，控制阀块、蓄能器与执行机构组成。其中电动液压泵为工作动力，液压油为传递介质，控制阀块（比例电磁阀）作为控制元件，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。结构示意见图１。
　图１ 液压变桨系统机构示意图　以Vestas公司的V80型风机为例，如上图所示，桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接，桨距角的变化同液压缸位移成正比。当液压缸活塞杆向左移动到最大位置时，桨距角通常为90°而活塞杆向右移动最大位置时，桨距角一般为-5°。液压缸的位移由电液比例阀进行精确控制，控制系统有相应的液压缸位置信号检测与反馈控制。详见图２。
　图２ 液压变桨机构控制原理框图　２/电动变桨系统　电动变桨系统电动变桨是用电动机作为变桨动力，通过伺服驱动器控制电动机带动减速机的输出轴齿轮旋转，输出轴齿轮与桨叶根部回转支承的内侧的齿轮啮合，带动桨叶进行变桨。系统通常由交流伺服系统、伺服电机、减速机、后备电源、轮毂主控制器（含传感器）构成。减速机固定在轮毂上，回转支承的内环安装在叶片上，叶片轴承的外环固定在轮毂上。伺服电动机带动减速机的输出轴小齿轮旋转，小齿轮与回转支承的内环啮合，从而带动回转支承的内环与叶片一起旋转，实现了改变桨距角的目的。结构示意图见图３。　图３ 电动变桨系统机构示意图

　图４ 电动变桨机构控制原理框图
　国内常用的电动变桨系统有MITA—Teknik、LUST华电天仁等品牌，各品牌在后备电源构成（电池或超级电容）和机械机构略有不同，但控制过程基本一致。风机在运行和暂停模式下。桨叶连续变桨，连续变桨时伺服驱动器通过通信总线接收主控制器的变桨命令，输出一个较低频率的电压使伺服电动机低速转动。　通过齿轮箱带动桨叶缓慢进行变桨。只要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°或者0°或-5°度方向连续变桨，桨叶的极限位置由与回转支承啮合的位置传感器内部的90°和0°两个行程开关来决定。从而保护桨叶角度不会超过安全范围。风机在停止和紧急停止模式下，风机将全顺桨。风机控制系统原理图见图４。　　液压变桨系统典型故障分析与维护　在实际的运行过程中，液压变桨系统有较低的故障率，某风电场共安装1000台V80风机。平均投运年限在６年以上，2014年度该风电场共发生变桨系统故障101台次。平均到单台约１次每年。液压系统是由机械、液压、电气等装置组合而成的。　所以出的故障也是多种多样的，某一种故障可能由许多因素影响造成的，需要检修人员对根据故障现象进行分析 判断。笔者根据某风场近6年的液压变桨机型故障检修记录分析发现，变桨系统故障主要发生在液压站电气控制和阀块组件上，变桨控制和传感器部分故障只占较小比例，通过对该风场变桨系统典型故障的分析，有助于改进风机液压变桨系统的维护方法，不断提高系统运行的可靠性。　１/典型故障分析　液压站减压故障　液压变桨系统是间歇工作系统，当风机处于运行状态时，桨叶角度根据风机控制策略需要不断进行调整。以满足控制风机功率的需求。这需要液压站频繁进行建压操作。液压泵和液压马达启停次数较多，会造成相应的控制电气元件故障多发。以 V80风机为例，其液压马达驱动如图５。液压站频繁启停经常造成交流接触器K204主触点或辅助触点损坏。造成主控系统发出建压指令但液压马达无法动作，风机会相应报、液压系统工作压力低、错误或液压站建压完成但K204辅助触无法释放造成信号反馈错误。此故障需要检修人员检查K204接触器损坏情况进行整体更换或只更换辅助触点。
　图５ 液压马达控制主回路图　液压控制阀块故障　在由各种液压元件组成的液压控制回路系统中，比例阀是其中最重要的组件，液压变桨中控制系统的桨距控制是主要通过比例阀来实现的。在需要调节桨叶角度的时候，由控制器（主PLC或轮毂PLC）根据功率或转速信号输出一个-10V至+10V 的控制电压，通过比例阀放大器转换成一定范围的电流信号，控制比例阀输出流量的方向和大小，从而控制变桨油缸的动作方向和速度。完成桨叶角度调整，控制系统控制柜图见图６，风机长周期运行后，比例阀故障概率增高比例阀故障后，风机无法正常变桨，通过会报“变桨不同步”或“变桨未按指令完成”此故障需检修人员进行比例阀检修或更换，特别是要分析损坏原因如果比例阀阀芯损坏由液压油污染引起，则需要先进行液压油处理。　液压油泄露　风机液压变桨系统运行在高压下，通常在200Bar左右，对液压阀块、液压缸和液压油管有较高的要求。液压油外泄漏主要是由于液压缸，阀块密封失效，接头处紧固松动或液压油管老化造成。大量油液泄漏不但会引起风机报“液压油位低”停机，还可能造成风机内外部污染，对环境造成影响。此类故障需检修人员检查泄漏部位，进行更换密封圈，紧固接触部位等处理后再进行补油。
　图６ 液压系统比例控制系统框图　２/液压变桨系统维护　根据液压变桨系统特点及运行维护经验，笔者认为在正常进行风机定期维护项目的基础上，应有针对性地开展液压变桨系统易损部件检查、增加油液品质化验频次、定期更换老化密封件等维护项目。　将便将系统易损件检查列入风机定检　对于在运行过程中发现的易损电气件，如液压马达接触器和液压阀等，如不在原定检查测试范围内，应修改定检项目，将其列入检查范围，如在定检中发现易损件品质下降严重，可提前进行更换，避免定检后短期内出现故障。　控制液压油污染　适当降低油品试验周期长周期运行后，风机液压油洁净度会出现不同程度的下降，液压油污染会影响系统的正常工作，降低系统中液压部件的使用寿命。除按期进行液压系统空气滤和油滤的更换外，还要定期清理油箱 管道及元件内部的污物，及时更换磨损严重阀块。运行三年及以上的风电机组，必要进将液压油试验周期由一年调整为半年，便于及时发现油品劣化趋势进行处理。　电动变桨系统典型故障分析与维护　风机电动变桨系统由于电气控制系统相对复杂，实际运行过程中故障率较液压变桨略高 某风电场共安装33台SL1500型风机，平均投运年限在４年以上，2014年度该风电场共发生变桨系统故障61台次，平均到单台超２次每年。与此相比，该机型早期产品变桨系统故障超过每年３台次，不同机型电动变桨系统由于设计原因，系统元件品质及安装质量差异。故障率及故障现象也有较大的差异，笔者以SL1500型风机为例，通过对４年风机变桨系统故障记录的分析，电气控制系统故障占变桨系统故障的70％以上，是最主要的故障类型。　　１/典型故障分析
　变桨电气回路系统故障　变桨电气主回路包括变桨变频器，变桨电机等。其中变频器是伺服驱动的核心部分，变频器输出频率可调，相序可调的交流电到变桨电动机电枢绕组中。控制变桨电机转动带动变桨减速机进行桨叶角度调整。常见故障为变频器损坏、电机发热、功率不足、接线松动、卡桨等。需要检修人员根据故障报警内容进行故障点判断和处理。如出现卡桨且无明显故障点 则可手动进行多次变桨。直到恢复正常为止，多次出现上述现象则应考虑加大变桨电机功率或加强变桨轴承润滑。　变桨电滑环故障　电动变桨系统组成部件均处于轮毂内，机舱主系统即要为变桨系统提供动力电源，也要与变桨系统控制器进行通讯，因此作为机舱和轮毂电气连接的部件。变桨电滑环地位非常重要。变桨系统通讯故障或变桨系统供电故障将触发风机安全链动作。紧急停机、变桨滑环故障多由于接线松动或滑环内部接触不良引起。检修时需进行相应的检测。必要时对滑环进行重新清洗，滑道磨损严重时应进行更换。　后备电池故障　与液压变桨系统蓄能器作用相同，电动变桨系统后备电池主要用于在风机失电或紧急情况给变桨电机提供动力，确保风机顺桨停机，避免发生风要飞车等重大事故。风机用后备电池主要有免维护铅酸蓄电池和超级电容两种，其中超级电池具有较长的使用寿命，但造价相对较高由于轮毂内运行环境恶劣，长时间运行后，使用蓄电池作为后备电源的风机经常出现蓄电池故障告警风机停机。检修人员可通过程序或人工对蓄电池进行检测，确定电池故障是由于接线松动还是本身品质下降，相应地进行处理。　２/电动变桨系统维护　由于风机运行中轮毂处不断旋转状态，离心力和在重力方向的不断改变使电动变桨系统各部件均承受了脉动的载荷，加之温度变化，运行工况相对较差。加强变桨系统部件检查和定期维护，可以有效减少变桨系统的故障发生率。　加强变桨传动系统润滑　除按半年周期进行系统变桨轴承、变桨电机、减速机的润滑外，如风机发生卡桨，电机发热等缺陷确认为变桨转动荷载增加原因时，应对整个系统重新进行一次润滑维护。　电滑环系统维护应严格按厂家推荐方法进行　在实际工作中，由于滑环系统拆卸和维护相对复杂，部分检修人员在进行滑环定检工作时，存在润滑过度或装配环节不能保证滑环内的清洁度问题给后期运行留下隐患。　定期进行后备电池检测　除风机主控程序对风机后备电池进行检测外，建议在定检时用手持式检测仪对电池进行全检，及时发现内阻增加，容量下降的电池，进行处理或更换，有条件的企业可以安装电池在线检测装置，实现全天候状态检测，当发现全部电池均存在劣化情况时，应全部进行更换部分厂家推荐每三年进行一次更换。　结束语　风电机组变桨系统是风机中最为重要的系统之一，它为更加有效获取风能提供了技术手段，也使风机在紧急情况下可以实现安全停机。由于变桨系统控制复杂，运动部件多，运行工况恶劣，所以故障率相对较高。变桨系统的运行情况直接关系到风机能否安全运行和风机的使用寿命。在风电场运行过程中，研究不同机型变桨系统的运行特性和薄弱环节有针对性地增加维护项目，可以有效地降低变桨系统的故障发生率 提高风机运行的可靠性。