風(fēng)能作為一種無污染的可再生能源，其開發(fā)具有巨大的經(jīng)濟、社會、環(huán)保價值和發(fā)展前景，對它的利用已受到世界各國的高度重視。在早期的風(fēng)電機組主要以定槳距機組為主，由于其機組的轉(zhuǎn)速不能隨風(fēng)速改變導(dǎo)致風(fēng)能利用率低、風(fēng)速突變時對支撐部件具有很大的負(fù)載波動沖擊和并網(wǎng)時可能帶來較大電流沖擊等缺點，逐步被變槳距風(fēng)電機組所取代。變槳距風(fēng)電機組通過控制槳距角使輸出功率平穩(wěn)、減小轉(zhuǎn)矩振蕩、減小機艙振蕩，不但優(yōu)化了輸出功率，而且有效的降低的噪音，穩(wěn)定發(fā)電機的輸出功率，改善槳葉和整機的受力狀況，同時比定槳距風(fēng)力發(fā)電機具有更好的風(fēng)能捕捉特性。

變槳距技術(shù)是指借助控制技術(shù)和動力系統(tǒng)，根據(jù)風(fēng)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速來改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上葉片的槳距角的大小，來達(dá)到控制發(fā)電機的輸出功率的目的。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展， 目前采用的風(fēng)輪的變槳技術(shù)既能保證風(fēng)電機組運行的穩(wěn)定性，減輕風(fēng)電機組的重量，又能提高其風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)和改善功率曲線，使風(fēng)電機組在不同風(fēng)速下始終保持最佳的風(fēng)能捕獲效果，從而提高系統(tǒng)性能。大容量的風(fēng)力機組大多采用變槳距調(diào)節(jié)1-6。變槳距技術(shù)對機組的運行狀態(tài)起著非常關(guān)鍵的作用，對機組穩(wěn)定、經(jīng)濟運行具有重要的意義。

一、風(fēng)電機組變槳的工作原理

風(fēng)電機組的葉片將隨機的動態(tài)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)系系統(tǒng)的的機械旋轉(zhuǎn)能，作為發(fā)電機的輸入來驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生電能。風(fēng)機轉(zhuǎn)子的運行不僅決定了整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，而且直接影響機組的穩(wěn)定優(yōu)化運行。所以風(fēng)機的運行特性是確定風(fēng)電機組控制策略的重要依據(jù)。

二、風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)的形式

變槳系統(tǒng)是變槳型風(fēng)電機組的關(guān)建子系統(tǒng)，目前全球大型風(fēng)電機組的變槳系統(tǒng)根據(jù)動力形式主要有兩種方案：液壓變槳系統(tǒng)和電動變槳系統(tǒng)。液壓變槳系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)具有單位體積小、重量輕、動態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)矩大，無需變速機構(gòu)且技術(shù)成熟等優(yōu)點，Vestas、Gamesa， Siemens等公司的風(fēng)機采用了液壓變槳技術(shù)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電動變槳系統(tǒng)以適應(yīng)能力強、響應(yīng)快、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、無泄露、無污染和維護方便等優(yōu)點近年來得到了廣泛的應(yīng)用，Enercon、 Repower、 Nordex等公司的風(fēng)機都是采用的電動變槳技術(shù)。液壓變槳系統(tǒng)和電動變槳系統(tǒng)在功能上沒有優(yōu)劣之分，但是兩者由于執(zhí)行機構(gòu)不同，在性能上各有其特點。

（1）液壓變槳系統(tǒng)

液壓變槳系統(tǒng)利用液壓缸作為原動機，在傳遞介質(zhì)液壓油的作用下，液壓缸的運動帶動連桿機構(gòu)來推動葉片旋轉(zhuǎn)，節(jié)距角的變化同液壓缸位移基本成正比。主控系統(tǒng)根據(jù)傳感器反饋的發(fā)電機轉(zhuǎn)速或功率，通過滑環(huán)和總線向變槳控制系統(tǒng)發(fā)送槳距角指令，變槳控制系統(tǒng)根據(jù)主控系統(tǒng)的指令給出相應(yīng)的信號，來控制比例閥輸出流量的大小和方向。液壓系統(tǒng)的液壓缸根據(jù)比例閥輸出的流量和方向來驅(qū)動葉片的角度在-5 +90“之間變化?？刂瓶驁D如圖4所示。變槳系統(tǒng)是一個伺服系統(tǒng)，通過PI控制，D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號來控制比例閥的流量，不同的流量使液壓缸產(chǎn)生不同的運動，從而使葉片的槳距角發(fā)生變化，同時采用位移傳感器檢測液壓缸的位移，將測出的值轉(zhuǎn)換后輸人到比較器。

對于兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機組，液壓變槳系統(tǒng)應(yīng)該滿足如下要求：

1）驅(qū)動力大，油路的安裝檢修方便，有足夠的強度和精度，安全可靠;

2）系統(tǒng)能在低溫環(huán)境中正常工作;

3）系統(tǒng)正常開槳速度與收槳速度基本相當(dāng);4、系統(tǒng)具有掉電能實現(xiàn)自動收槳功能。

1、液壓變槳系統(tǒng)的構(gòu)成

液壓變槳系統(tǒng)的構(gòu)成簡圖如圖5所示。該系統(tǒng)的主要元器件有油箱、泵、蓄能器、液壓管路和三套獨立的變槳裝置等，在本圖中僅顯示了一套變槳裝置，其中，20為齒輪式液壓泵，M為驅(qū)動泵的電機，8， 9，10分別為動力單元蓄能器、變槳系統(tǒng)蓄能器和變槳單元的蓄能器，15為比例電磁閥，C為液壓缸，18為直線位移傳感器用于間接反饋角度。

2、液壓變槳系統(tǒng)的工作過程

為了達(dá)到將液壓缸的直線運動轉(zhuǎn)化成葉片的旋轉(zhuǎn)運動，在實際的風(fēng)電機組上將液壓缸的一端固定在輪轂內(nèi)，另外-端通過活塞桿連接到葉片根部的變槳軸承外圈的切線上。

正常啟動時變槳過程為：電磁閥11、12、 13和14上電，比例閥15的交叉線圈通電使P與B、A與T連通，液壓油經(jīng)過的路徑為：泵20-單向閥2-旋轉(zhuǎn)接頭一單向閥3-電磁閥11 -比例閥15的P-B端-單向閥6-液壓缸的B端，從而推動活塞桿右移液壓缸A端的液壓油經(jīng)過-電磁閥14-比例閥15的A-T，最終回到油箱。

正常收槳時的變槳過程為：電磁閥11、12、13上電，比例閥15的另外一組交叉線圈通電使P與A、T與B連通，液壓油經(jīng)過的路徑為：泵20-單向閥2 -旋轉(zhuǎn)接頭-單向閥3-電磁閥11 -比例閥15的P-A端-電磁閥14-液壓缸的A端，液壓缸B端的液壓油通過單向閥5-電磁閥11回到壓力管內(nèi)，從而使液壓缸的活塞向左移動。

緊急收槳的過程為：在緊急情況下，液壓變槳系統(tǒng)需要緊急收槳，電磁閥12，13采取完全打開或完全關(guān)閉來實現(xiàn)這些動作，這時電磁閥11，12，13和14全掉電，液壓油的路徑為：蓄能器10-流量控制閥17-電磁閥12-單向閥7-液壓缸的A端，液壓缸B端的油經(jīng)過電磁閥13、帶控制端的泄壓閥16再回到油箱。

為了使收槳速度不至于過快，在液壓回路中增加了帶控制端的泄壓閥16，當(dāng)緊急收槳時，泄壓閥16的控制端的壓力隨著液壓缸A端的壓力下降而變化，其能控制回路液壓油的流量，從而保證平穩(wěn)收槳。緊急收槳的速度一般在10^/s左右。

液壓變槳系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)如圖6所示。1為輪轂，2為偏心塊，3為活塞桿，4為槳葉，5為回轉(zhuǎn)支承，6為油缸，7為油缸座，8為閥塊，9為內(nèi)壓板。

從圖6可以看出，風(fēng)電機組的每個槳葉都有-套獨立的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，一個槳葉出現(xiàn)故障時，其他兩個槳葉仍能正常工作，增加了系統(tǒng)的安全性。

3、液壓變槳系統(tǒng)的優(yōu)點：

1 ）液壓驅(qū)動變槳距系統(tǒng)具有相應(yīng)快、剛度大、扭矩大、運行平穩(wěn)、可與偏航、制動等系統(tǒng)共用油源便于集成化布置等優(yōu)點;

2）液壓阻尼的存在可以吸收葉片轉(zhuǎn)軸上面的沖擊轉(zhuǎn)矩，對葉片及風(fēng)機本身起到很好的減震緩沖效果;

3）液壓變槳系統(tǒng)采用的軸承更簡單，結(jié)構(gòu)更強。液壓變槳系統(tǒng)的缺點：

1 ）油液存在泄露問題，故障排查較難，泄露的油液易弓|起火災(zāi);

2）由于振動的存在，密封圈及導(dǎo)向環(huán)很容易被磨損，

3）液壓變槳系統(tǒng)價格昂貴，系統(tǒng)比較復(fù)雜，變槳速度慢于電動變槳;

4）當(dāng)液壓油有雜質(zhì)后閥芯易發(fā)生卡澀甚至“卡死”，維修保養(yǎng)比較困難，停機狀態(tài)不能得到及時解決;

6）液壓油，過濾器需定期檢測、更換;

7）旋轉(zhuǎn)接頭質(zhì)量、油管連接要求高，夏天部件出故障概率高。

（2）電動變槳系統(tǒng)

電動變槳系統(tǒng)是通過槳距角控制器得到的槳距角指令，把槳距角指令轉(zhuǎn)換為伺服電機的控制信號，驅(qū)動伺服電機來帶動變槳減速器輸出小齒轉(zhuǎn)動，從而帶動與葉片相連的變槳軸承旋轉(zhuǎn)。

1、電動變槳系統(tǒng)的構(gòu)成

電動變槳距系統(tǒng)一一般包括變槳控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、電動機、減速器、備用電源、傳感器和變槳軸承等。這些部件均安裝在輪轂內(nèi)或輪轂上。

變槳控制系統(tǒng)是整個伺服系統(tǒng)的核心，把來自主控系統(tǒng)的槳距角命令值發(fā)送到各變槳伺服驅(qū)動系統(tǒng)，并通過滑環(huán)連接通訊總線把槳距角實際值和運行狀況反饋到主控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用三相全橋不可控整流，三相正弦PWM逆變器變頻的AC-DC-AC機構(gòu)。為避免通電時出現(xiàn)大的瞬時電流以及電機制動時產(chǎn)生很高的泵生電壓， 設(shè)有能耗泄放電路。電動機可采用直流電機、交流電機或永磁電動機作為驅(qū)動動力源。減速器通過輸出端的祛蘭固定在輪轂內(nèi)，其用于將電機輸出較高的速度減速為能夠驅(qū)動變槳軸承合適的速度，帶動槳葉進行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了改變槳距角的目的。備用電源可以為蓄電池或超級電容，其作用是在電網(wǎng)掉電或用于驅(qū)動的電源出現(xiàn)故障時，安全鏈斷開，緊急啟動備用電源來緊急收槳達(dá)到安全停機的目的。傳感器包括旋轉(zhuǎn)編碼器、角度編碼器和限位開關(guān)。旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電動機輸出軸上，采集電動機轉(zhuǎn)動角度。角度編碼器安裝在輪轂邊上，與變槳軸承的內(nèi)齒圈相嚙合，直接檢測內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)過的角度，也就是葉片槳距角變化的角度。限位開關(guān)也安裝在輪轂靠近變槳軸承的邊上，起限位作用，確保葉片不超過安全位置。變槳軸承外環(huán)固定在輪轂上，內(nèi)環(huán)與葉片根部相連，減速器的輸出小齒與軸承的內(nèi)圈相嚙合。電動變槳系統(tǒng)構(gòu)成圖和實物圖分別如圖7，8所示。

2、電動變槳系統(tǒng)工作過程

正常變槳時，變槳控制系統(tǒng)通過總線接收主控系統(tǒng)的變槳指令，同時發(fā)給驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，電動機通過減速器減速后帶動變槳軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了葉片的轉(zhuǎn)動來改變槳距角。驅(qū)動系統(tǒng)通過改變變頻器輸出電壓的相序，就能夠改變伺服電動機的轉(zhuǎn)向，通過電動機的正、反轉(zhuǎn)使槳葉向90或0方向連續(xù)變槳。

緊急收槳時，變槳控制系統(tǒng)通過總線接收主控制系統(tǒng)的緊急收槳指令，同時將指令發(fā)給驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)的變頻器輸出較高頻率使電動機高速轉(zhuǎn)動，通過減速器的輸出小齒帶動變槳軸承內(nèi)圈快速旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到快速收槳的目的。一般緊急收槳的速度達(dá)到10*-12*/s。

在實際應(yīng)用中，由于葉片具有較大的慣性，為了防止變槳速度過快，一般在伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)中的直流母線上加裝制動電阻，來消耗電動機轉(zhuǎn)速超過同步速度后產(chǎn)生的多余能量，從而達(dá)到制動的目的。在電機軸的末端還有一組電磁制動器，其作用是為到達(dá)目標(biāo)位置的葉片提供剎車。

3、電動變槳系統(tǒng)的優(yōu)點：

1 ）電動驅(qū)動變槳距系統(tǒng)技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、無泄露、控制精度高、響應(yīng)快;

2）維護方便，輪轂內(nèi)干凈; weshl

3）故障容易排查。電動變槳系統(tǒng)的缺點：

1）隨著機組容量的增大，電機慣量也增大，使動態(tài)響應(yīng)特性變壞，而且頻繁的調(diào)節(jié)槳葉，容易使電機因過熱而損壞，元器件也易的燒損;。

2）驅(qū)動系統(tǒng)和動力系統(tǒng)都在輪轂內(nèi)，增加了風(fēng)輪重量和減小了輪轂內(nèi)作業(yè)的空間;

3）動力電纜、控制電纜和信號電纜較多，增加輪轂內(nèi)部布線的難度;

4）當(dāng)多次頻繁斷網(wǎng)會耗盡備用電池，可能會出現(xiàn)不能順槳的問題;

5）變槳系統(tǒng)采用帶齒的軸承，易磨損。

三、風(fēng)電機組變槳的檢查與維護

1、變槳減速機與小齒輪

1.1外表檢查

（1）檢查變槳減速機表面的防腐涂層是否有脫落現(xiàn)象，如有脫落需修復(fù)，修復(fù)方法見附件四；

（2）檢查變槳減速機油位鏡是否完好；

（3）檢查小齒輪表面是否點蝕、過度磨損和斷齒。

1.2 噪音檢查

手動對每個葉片進行變槳，檢查變槳減速機是否存在噪音。

1.3 齒隙檢查

（1）用塞尺檢查變槳小齒輪與變槳齒圈的嚙合間隙，正常嚙合間隙0.3～0.9mm。

（2）齒隙測量方法：首先確保變槳齒圈一個齒的一側(cè)齒面與小齒輪的對應(yīng)齒面完全嚙合（如圖1），然后用塞尺測量小齒輪該齒的另一側(cè)與變槳齒圈的最小嚙合間隙。

1.4 減速機/輪轂安裝螺栓力矩檢查以規(guī)定力矩檢查變槳減速機/輪轂安裝螺栓，抽檢力矩值依照設(shè)計要求而定。

1.5 變槳減速機油位檢查

檢查變槳減速機潤滑油油位是否正常（油位應(yīng)位于觀察窗中部），如果油位偏低，檢查變槳減速機是否漏油，并補充潤滑油。修復(fù)工作和加油工作完成后，將減速機清理干凈；

注意：在加油或檢查油位過程中減速機應(yīng)置于六點位置。

減速機潤滑油補充及更換方案（各變槳減速機潤滑油補充流程相同，主要區(qū)別在于各品牌減速機的加油口位置和密封形式略有不同）：

注意：加注潤滑油時防止將異物掉入減速機內(nèi)，換油排油應(yīng)在熱機狀態(tài)下進行，當(dāng)環(huán)境溫度過低時，應(yīng)加入適量預(yù)熱過的新油對減速機進行沖洗。

（1）用毛巾清理干凈加油嘴及其周圍的灰塵油污；

（2）旋下加油塞并將其倒置于一塊干凈的毛巾上；

（3）將油順著加油嘴倒入減速機內(nèi)（由于加油嘴較小，實際加油時可使用干凈的大號針筒作為加油工具），邊加油邊通過油位鏡觀察油位；

（4）當(dāng)油位接近正常油位時，停止加油（可事先在正常油位處用記號筆作一標(biāo)記）；

（5）將加油塞擦干凈并旋到加油嘴上，擰緊；

（6）運行減速機5min，觀察加油嘴處是否有滲漏現(xiàn)象，如有加以處理；

（7）停轉(zhuǎn)減速機再次觀察油位，如油位達(dá)到正常值加油工作結(jié)束，如未能達(dá)到要求重復(fù)步（2）~（6），直到油位滿足要求。

（8）如更換潤滑油，可將需更換潤滑油的減速機處于10點或者2點鐘位置，將空的容器置于減速機油塞正下方，旋下加油塞，讓潤滑油流入容器內(nèi)。待潤滑油全部流光后，用毛巾清理干凈加油嘴及其周圍，旋回加油塞。待減速機轉(zhuǎn)回6點鐘位置時進行步驟（1）-（7），完成潤滑油的補充工作。

2、變槳電機檢查與維護

（1）檢查變槳電機表面的防腐涂層是否有脫落現(xiàn)象，如有脫落需進行修復(fù)，修復(fù)方法見附件四；

（2）檢查變槳電機電纜的外觀和固定情況，如有電纜破損或固定松動情況必須馬上處理；

（3）手動對每個葉片進行變槳，檢查變槳電機是否存在噪音；

（4）檢查變槳電機/變槳減速機安裝螺栓。

3、變槳控制柜檢查

（1）檢查三角支架固定卡簧是否完好；

（2）檢查各連接電纜絕緣層是否老化、破損；

（3）以規(guī)定力矩檢查變槳控制柜/輪轂安裝螺栓；

（4）檢查彈性支撐是否老化或出現(xiàn)裂紋，如有上述情況，必須立即更換。

（5）打開變槳控制柜，目測電氣元件是否有明顯的器件燒毀和線路固定不牢等問題。如有問題，及時查找、分析原因并及時處理和記錄。

（6）用內(nèi)六角或扳手緊固變槳柜之間電纜保護套的線卡，確保無松動，避免電纜及電纜保護套磨損。如果有電纜晃動問題，必須用扎帶固定。檢查變槳控制柜背面接線插頭的固定。

（7）檢查變槳電機電源線、編碼器線、剎車線的固定，確保綁扎帶無斷裂脫落現(xiàn)象，確保接線無松動，確保葛蘭頭無松動。

4、附件的檢查

（1）限位開關(guān)是否完好，固定是否牢固；

（2）接近開關(guān)是否完好；

（3）接近開關(guān)與感應(yīng)片距離是否合適（3-5mm）；

（4）檢查極限工作位置和接近開關(guān)處的感應(yīng)片安裝螺栓是否牢固；

（5）檢查極限工作位置和接近開關(guān)處的感應(yīng)片是否變形（彎折角度近似90度為正常）。