风机变桨系统分析和研究

风机变桨系统分析和研究

洪伟

华电新能源集团股份有限公司黑龙江分公司    黑龙江省    哈尔滨市    150009

摘要：风机变桨调节在风电机组的安全、稳定和高效运行中扮演着至关重要的角色。这一设备充分利用了控制技术与电力系统，其主要功能在于通过改变安装在大型风机组轮毂上的桨距角，进而调整风机的气动性能。这一调整过程能够优化叶片以及整个机组的受力状态，从而实现风机组的最大化利用。此外，精确的变桨控制还有助于实现风电场的最大功率跟踪（MPPT）。通过实时监测和调整桨距角，风电机组能够在不同的风速条件下保持最佳的运行状态，确保电力输出的稳定性和高效性。

关键词：风机；变桨系统；故障

变桨风机是当前国内外研究的热点设备，与定桨距风机相比，它具有诸多优势。首先，可变桨距风机能够使功率稳定地输出在额定功率点以上，确保了稳定的电力供应。其次，相同功率的机组在额定风速较低的情况下仍能保持高效的运行状态。再者，变桨距风机能够抵御气流密度波动等环境因素的影响，从而确保稳定的运行。此外，这种风机还具备良好的启动及制动性能，能够迅速适应各种风速条件下的运行需求。变桨风机通过全叶片绕着叶片中心轴的转动，改变叶片的功角，从而调整输出功率至设计要求以内。当设备出现故障时，在紧急停车过程中，通常需要对叶片进行磨平处理，以减小整个结构的应力，确保机器的安全可靠运行。这种灵活的变桨技术不仅提高了风电机组的运行效率，而且为风电场的稳定供电提供了有力保障。

1风机桨距调节技术综述

风机桨距控制系统，实际上是一个结合了控制技术与动力系统的复杂系统。它的核心功能是通过调整叶片桨距角，进而影响叶片的气动性能和整机的受力状态，实现对机组功率与转速的精准控制。简单来说，当风力较大时，系统会自动减小桨距角，减小迎风面，反之则会增加桨距角，增加迎风面。这个系统的主要组成部分包括变桨马达、大齿轮组件、变桨距齿轮以及变螺距轴承等。当风机启动时，桨距系统便开始工作，桨距角会从90度逐渐减小到15度，再从15度逐渐增加到90度，然后再次减小到15度，最后逐步调整到3度角。这样的调整过程确保了风机的功率始终保持在额定范围内。值得注意的是，在额定功率条件下，桨距系统必须连续工作才能满足设备的使用要求。但这也导致了桨距机构中的机械零部件的失效率相对较高。尽管如此，变桨距技术仍然在风力发电领域中发挥着不可替代的作用，为风机的安全、稳定和高效运行提供了重要保障。

2影响因素

风速、风向、机械载荷以及马达特性等都是影响桨距控制性能的关键因素。由于风机的能量来源于风力，因此风速与风向对风力发电的效果有着决定性的影响。此外，机械载荷和马达特性对于变桨装置的稳定性和工作寿命具有显著的影响。桨距控制系统主要由三个核心部件构成：变桨马达、变桨轴承和变桨齿轮箱。变桨电机为整个桨距控制系统提供所需的功率，而桨距轴承则负责实现桨距的转动。作为马达与轴承之间的桥梁，变桨距变速箱确保了动力从马达顺利传递到各轴承。该系统的核心思想是利用桨叶的攻角来调节风能的捕获效率。在风速较大时，系统通过变桨器实现桨叶的平滑调整，减小攻角，从而降低风力发电效率，避免风电机组承受过大的载荷损害，而在风速较低时，桨叶会反向旋转以增大攻角，从而提高风能的捕获能力。为了确保整个系统的安全性，通常会设置一套完善的安全保障机制。常见的安全保护机制包括过载保护、超速保护以及蓄电池过放电保护等，当出现异常情况时，系统能够迅速切断电源，从而有效保障设备和人员的安全，在变桨距系统中，故障诊断与处理是非常重要的环节，通过及时的故障检测和修复，可以确保系统的稳定运行，并延长其使用寿命。

3风机桨距调节装置的故障分析

3.1滑环损坏

在风机滑环运行中，滑环的失效频率也比较高，根据调研，除滑环的污物污染以外，滑环的触针脱落也是造成这种故障的一个主要原因。另外，通过对大量的调查资料进行分析，发现滑环故障还会引起变频器通讯、蓄电池和变频器等系统故障，对公司的发展产生很大的负面影响。

3.2变桨马达失效

当前，风机组在实际应用中，变桨电动机的故障频率非常高。通过大量的研究资料，我们发现，引起这些故障的原因，并不只有电动机自身的原因（如线圈断裂、直流电动机碳刷损耗等），还有变频器的损坏、电池电压低、限位开关不到位等，都会引起电机过载，从而引起变桨电机的故障。

3.3备用电力系统电池失效

目前我国风机组变桨系统的故障发生率中，后备电源系统的故障频率最高，特别是在2-3年内，严重制约了公司的发展。

3.4变频器失效

随着我国风机建设规模不断扩大，风机组在运行中出现了较高的频率，其中变频器的故障频率很高，其中包括一变频器通讯中断，变频器内部IGBT损坏，控制板件损坏，导线插头虚焊等。

4风机组桨距控制系统失效的防治

4.1生产操作

风机变桨系统作为风机组的核心组件，其可靠性对公司的经济和社会效益具有直接影响。为了有效降低各类系统故障的发生率，基层工业机构和相关部门的工作人员需定期对变桨电机的刹车片磨损状况进行检查。一旦发现刹车片磨损严重，应及时进行更换，确保变桨电机能够提供足够的制动力矩。除此之外，为了最大化发挥风机的风能利用效率，还应采取以下措施：及时更换老化的蓄电池、调整或更换失效的限位开关、定期清洗滑环，并定期拧紧变桨系统的电气连接和机械连接螺钉。这些措施不仅有助于提高变桨系统的稳定性和可靠性，还能进一步优化风机的性能，为公司的可持续发展提供有力保障。

4.2设计方案

在新的市场经济常态下，随着产业一体化的不断深化，我国风力发电场的建设规模和数量均取得了显著的增长，以满足企业生产和人民生活对电力能源的日益增长的需求。为了从根本上提高变桨系统的可靠性，设计者在最初设计时需要重视增加变桨马达的制动力矩。通过这种方式，变桨系统能够在极端风速、不规则紊流和突然变化的情况下，以及风力过大、风速过快或风向急剧变化等情况下，依然保持稳定运行，避免叶片受损。这种设计的优化不仅能够提升风电场的运营效率，降低因设备故障导致的维护成本，而且还有助于确保电力供应的稳定性和持续性，为企业的生产活动和居民的生活提供更加可靠的电力保障。

4.3安装部分

为减少变桨装置的失效概率，工作人员不但要严格遵守操作规程，更要注意不能随便安装。同时，为改善桨距传动中机电连接件的紧密性，工作人员需采用绝缘导线将其与桨距固定好。另外，在安装时，也要选用优质的变桨限位开关，合理地调整其位置，以提高其抗台风性能。

结束语：

综上所述，由于采用了电机变桨技术，导致了风机桨距控制装置的失效，其中最常见的问题是蓄电池、限位开关、滑环和电气连接线的松脱。我国东南沿海既是台风多发区，又是风电发展的重点区域。采用先进的装配、制造技术、采用优质零部件、加大关键零部件的强度与余量、强化生产及运营过程中的定期维修等措施，有效降低风电机组的失效概率，提升风机的利用率，提升风机的抗风性能，从而降低风机的风险。

参考文献：

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