摘要：
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。... 风电运维
介绍了大功率风力发电机组中广泛采用的电动、液压变桨系统的结构和原理，分析了风力发电机组运行过程中典型变桨系统故障的原因。 提出了不同类型变桨系统新维护工作的要点。
目前，我国已投入运行的MW级及以上风力发电机均采用变桨距技术。 变桨距调节是指风力机可以使叶片沿叶片纵轴线旋转，改变叶片位置，控制风轮的能量吸收，使风力机保持一定的输出功率，并能使叶片顺桨。在紧急情况下减轻风机负荷或实现空气制动。
与定距风力机相比，变距机组可以根据风速调节气流对叶片的攻角。 它们具有在额定功率点以上稳定的功率输入、相同功率机组的额定风速低、叶片结构简单、自启动性能和配方。 具有性能好、安全性高等优点。 同时，变桨控制与变频技术相结合，提高了风机的发电效率和电能质量，使风机在各种工况下都能达到最佳性能，减少风对风机的影响。 因此，变桨系统控制和变频控制共同构成了兆瓦级变速恒频风力发电机的主要控制技术。
两种变桨系统的原理和结构
变桨系统是安装在风力发电机轮毂中作为空气制动器或通过改变叶片角度来控制机组功率的装置。 它是风力发电机组重要的控制和保护装置。 按执行器分类，变桨系统主要有两种类型：液压变桨系统和电动变桨系统。 从控制方式上分为三叶统一螺距和独立螺距两种。 大功率风力发电机组通常采用独立变桨距控制。 通过独立改变每个叶片的桨距角，可以有效解决叶片和塔架载荷不均匀的问题。
以上两种变桨系统各有优点。 液压变桨系统具有传递扭矩大、重量轻、定位准确、执行机构动态响应快等特点。 国内主流风力发电机型号均采用液压变桨系统。 但液压变桨系统对工作环境以及液压系统油路元件和阀块的质量要求较高。 系统一旦泄漏，将严重污染风机和环境。 电动变桨系统具有适应快、响应快、精度高、无泄漏、无污染等特点。 金风科技、东汽、华锐风电、联合动力等机型均采用电动变桨系统。 电动变桨的缺点是控制系统复杂。 后备式UPS电源需要定期维护和更换。
液压变桨系统
液压变桨也称为电液伺服变桨系统。 变桨系统主要由液压泵站、控制阀块、蓄能器和执行机构组成。 其中，电动液压泵为工作动力，液压油为传动介质，控制阀块（比例电磁阀）作为控制元件。 将气缸活塞杆的径向运动转变为叶片的圆周运动，实现叶片的变桨距。 。 结构如图1所示。
图1 液压变桨距系统机构示意图
以该公司的V80风机为例，如上图所示，叶片通过机械联动机构与液压缸连接，桨距角的变化与液压缸的排量成正比。 当液压缸活塞杆向左运动到最大位置时，俯仰角通常为90°，当活塞杆向右运动到最大位置时，俯仰角一般为-5°。 液压缸的位移由电液比例阀精确控制，控制系统有相应的液压缸位置信号检测和反馈控制。 详细信息请参见图 2。
图2 液压变桨机构控制原理框图
2
电动变桨距系统
电动变桨系统 电动变桨采用电动机作为变桨动力。 伺服驱动器控制电机带动减速机输出轴齿轮旋转。 输出轴齿轮与叶片根部回转支架内侧的齿轮啮合，驱动叶片改变桨距。 。 该系统通常由交流伺服系统、伺服电机、减速机、备用电源、轮毂主控制器（含传感器）等组成。 减速机固定在轮毂上，回转轴承内圈安装在叶片上，叶片轴承外圈固定在轮毂上。 伺服电机带动减速机输出轴小齿轮旋转，小齿轮与回转轴承内圈啮合，从而带动回转轴承内圈与叶片一起旋转，从而达到改变叶片的目的。俯仰角。 结构图如图3所示。
图3 电动变桨距系统机构示意图
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-、LUST华电天仁等品牌。 每个品牌的备用电源构成（电池或超级电容器）和机械机构略有不同，但控制过程基本相同。 风扇处于运行和暂停模式。 叶片不断改变桨距。 在连续变桨距过程中，伺服驱动器通过通讯总线接收主控制器发出的桨距指令，并输出较低频率的电压，使伺服电机低速旋转。 变速箱驱动叶片缓慢改变桨距。 只要改变变频器输出电压的相序，就可以改变伺服电机的转向方向。 通过电机的正反转，可使叶片沿90°或0°或-5°方向连续变桨距。 叶片的极限位置由传感器内部的90°和0°两个行程开关确定。 这可以防止刀片角度超出安全范围。 当风扇处于停止和紧急停止模式时，风扇将完全顺流。 风机控制系统原理图如图4所示。
液压变桨距系统典型故障分析及维护
实际运行中，液压变桨系统故障率较低。 风电场共安装1000台V80风力发电机。 平均运营期超过6年。 2014年，该风电场共发生变桨系统故障101起。 平均而言，我们每年大约访问一个站点一次。 液压系统是机械、液压、电气等装置的组合。 因此，故障的种类有很多种。 某种故障可能是由多种因素造成的。 维修人员需要根据故障现象进行分析判断。 笔者通过对某风电场近六年来液压变桨模型的故障维修记录进行分析，发现变桨系统故障主要发生在液压站的电气控制和阀块部件，故障主要集中在液压站的电气控制和阀块部件上。变桨控制和传感器部分仅占较小比例。 对风电场变桨系统典型故障的分析，有助于改进风电机组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。 当风力发电机运行时，叶片角度根据风力发电机控制策略的需要不断调整。 满足控制风机功率的需求。 这需要在液压站中进行频繁的压力建立操作。 液压泵、液压马达频繁启停，会导致相应控制电气元件频繁故障。 以V80风机为例，其液压马达驱动如图5所示。液压站的频繁启停往往会导致交流接触器K204的主触头或辅助触头损坏。 导致主控系统发出建压指令，但液压马达无法运转，风扇也会报告。 液压系统工作压力低，出现错误，或液压站建压完成但K204辅助扳机无法释放，造成信号反馈错误。 此故障需要维修人员检查K204接触器损坏情况，整体更换或仅更换辅助触头。
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，比例阀是最重要的元件。 液压变桨控制系统的变桨控制主要是通过比例阀来实现的。 当需要调整叶片角度时，控制器（主PLC或轮毂PLC）根据功率或速度信号输出-10V至+10V的控制电压，并通过比例阀放大器控制比例阀。 利用输出流量的方向和大小来控制变桨油缸的动作方向和速度。 叶片角度调整完成后，控制系统控制柜图如图6所示。风机长期运行后，比例阀出现故障的概率增大。 比例阀失效后，风扇无法正常变桨，系统会报“桨距不同步”或“桨距不同步”或“桨距不同步”。 “未按照说明完成”此故障需要维修人员维修或更换比例阀，尤其要分析损坏原因。 如果比例阀阀芯的损坏是由于液压油污染造成的，则需要先对液压油进行处理。
液压油泄漏
风力发电机液压变桨系统在高压下工作，通常在左右两侧，对液压阀块、液压缸和液压油管有很高的要求。 液压油外漏主要是由于液压缸、阀块密封失效、接头紧固松动或液压油管老化造成的。 大量漏油不仅会导致风机停机并出现“液压油位低”报警，还可能造成风机内部和外部污染，影响环境。 此类故障需要维修人员在补油前检查泄漏部位、更换密封圈、紧固接触部位等。
图6 液压系统比例控制系统框图
2
液压变桨系统维护
根据液压变桨系统的特点和运行维护经验，笔者认为，在风电机组正常定期维护项目的基础上，应对液压变桨系统的易损部位进行有针对性的检查，增加检修频率。油质检测，并定期更换老化的密封件。 零件等维护项目。
系统易损件的检查将纳入风机的定期检查
对于运行中发现的易损电气部件，如液压马达接触器、液压阀等，如不在原检验和试验范围内，应修改定期检验项目，纳入检验范围。 如果定期检查时发现易损件质量严重恶化，可以提前更换，避免定期检查后出现短期故障。
控制液压油污染
适当减少试油周期和长期运行后，风机液压油的清洁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，降低系统中液压元件的使用寿命。 除定期更换液压系统的空气滤清器和机油滤清器外，还必须定期清理油箱管道和元件内部的污垢，磨损严重的阀块必须及时更换。 对于运行三年以上的风机，有必要将液压油试验周期由一年调整为半年，以利于及时发现油质变质趋势并进行处理。
电动变桨距系统典型故障分析及维护
由于风电机组电动变桨系统的电气控制系统相对复杂，实际运行过程中的故障率略高于液压变桨系统。 风电场共安装风机33台，平均运行周期超过4年。 2014年，风电场共安装风机33台。 变桨系统发生故障61次，平均每台每年发生2次以上。 相比之下，该机型早期产品变桨系统故障每年发生3次以上。 不同型号的电动变桨距系统有不同的设计原因、系统部件质量和安装质量。 故障率和故障现象也存在较大差异。 笔者以2018型风力发电机组为例。 通过对4年风电机组变桨系统故障记录分析发现，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
变桨电气线路系统故障
主变桨电气电路包括变桨逆变器、变桨电机等。变频器是伺服驱动器的核心部分。 变频器向变桨电机的电枢绕组输出频率和相序可调的交流电。 控制变桨电机转动，带动变桨减速机调节叶片角度。 常见故障有变频器损坏、电机发热、电量不足、接线松动、螺旋桨卡住等，维护人员需要根据故障报警内容判断故障点并进行处理。 如果发生螺旋桨卡住且没有明显故障点，可手动进行多次变桨。 直至恢复正常，如果多次出现上述现象，则应考虑增大变桨电机的功率或加强变桨轴承的润滑。
节距电滑环故障
电动变桨距系统的部件全部位于轮毂内。 机舱主系统不仅为变桨系统提供动力，还与变桨系统控制器进行通信，因此它作为机舱与轮毂之间的电气连接部件。 节距电滑环非常重要。 变桨系统通讯故障或变桨系统电源故障都会触发风机安全链动作。 紧急停机和变桨滑环故障往往是由于滑环接线松动或内部接触不良引起的。 维护时需要进行相应的检查。 必要时重新清洁滑环，滑道磨损严重时更换。
备用电池故障
电动变桨系统的备用电池与液压变桨系统的蓄能器具有相同的功能。 主要用于风机失电或紧急情况时向变桨电机提供动力，保证风机停止顺桨，避免风速等重大事故。 风力发电机组的备用电池主要有两类：免维护铅酸电池和超级电容器。 超级电池的使用寿命较长，但成本相对较高。 由于轮毂内运行环境恶劣，长期运行后，采用蓄电池作为备用电源。 风扇经常出现电池故障报警，导致风扇停机。 维护人员可以通过程序或手动对电池进行测试，判断电池故障是否是由于接线松动或质量下降造成的，并进行相应处理。
2
电动变桨距系统维护
由于风力发电机运行过程中轮毂不断旋转，离心力和重力方向不断变化，导致电动变桨系统所有部件承受脉动载荷。 另外，加上温度变化，操作条件也比较恶劣。 加强变桨系统部件的检查和定期维护，可以有效降低变桨系统故障的发生率。
加强变桨传动系统的润滑
除每半年对系统变桨轴承、变桨电机、减速器进行润滑外，如果确认风扇卡转或电机发热等缺陷导致变桨旋转载荷增大，则应对整个系统进行润滑。重新润滑和维护。
电滑环系统的维护应严格按照制造商推荐的方法进行。
在实际工作中，由于滑环系统的拆卸和维护相对复杂，一些维护人员在定期检查滑环时，存在润滑过度或无法保证滑环内部清洁的问题，给滑环留下了隐患。后期操作。
定期备用电池测试
除了风机主控程序对风机备用电池进行检测外，建议在定期检查时使用手持式检测仪对电池进行全面检查。 可以及时发现内阻增大、容量降低的电池并进行处理或更换。 有条件的企业可以这样做。 安装在线电池检测装置，实现全天候状态检测。 当发现所有电池老化时，应全部更换。 一些制造商建议每三年更换一次。
结论
风力发电机组变桨系统是风力发电机组中最重要的系统之一。 它为更有效地获取风能提供了技术手段，并使风力发电机能够在紧急情况下安全关闭。 由于变桨系统控制复杂，运动部件较多，运行条件恶劣，故故障率较高。 变桨系统的运行直接关系到风机的安全运行和风机的使用寿命。 在风电场运行过程中，研究不同类型变桨系统的运行特性和薄弱环节，增加有针对性的维护项目，可以有效降低变桨系统的故障率，提高风机运行的可靠性。
●
●
●
