3.1　变桨系统综述

变桨距风力发电机组中，叶片的桨距角可以自动进行调节。当风力发电机启动时，可以通过变距来获得足够的启动转矩；当风速过高时，叶片可以沿着纵轴方向旋转，以改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机获得的空气动力转矩，控制风轮能量吸收，以保持一定的输出功率。变桨距调节的优点是机组启动性能好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全；缺点是增加了变桨距装置，增加了故障概率，控制程序比较复杂。

变桨距风力发电机比定桨距风力发电机更具发展优势，因此变桨距调节成为大型风力发电机的最佳选择。变桨距调节提供了较好的输出功率品质，并且每一叶片调节器的独立调桨技术可看作是一个独立的制动系统，并可以独立调节。通过控制发电机的转速，能使风力发电机的叶尖速比接近最佳值，在不同风力、风向和风速下运行，最大限度地利用风能，提高发电机的运行效率。

3.1.1　变桨系统基本原理

变桨距是指风力发电机安装在轮毂上的叶片，借助控制技术和动力系统改变桨距角的大小改变叶片气动特性，使桨叶在整机受力状况大为改善。变桨距机构就是在额定风速附近（以上），依据风速的变化随时调节桨距角，控制吸收的机械能，一方面保证获取最大的能量（与额定功率对应）。同时减少风力对风力机的冲击。在并网过程中，还可以实现快速无冲击并网。变桨距控制与变速恒频技术相配合，最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。

（1）变桨系统的作用

变桨控制系统是通过改变叶片迎角，实现功率变化来进行调节的。通过在叶片和轮毂之间安装的变桨驱动电机带动回转轴承转动，从而改变叶片迎角，由此控制叶片的升力，以达到控制作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。在90°迎角时是叶片的工作位置。在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化而达到限制功率。一般变桨角度范围为0～90°。

采用变桨距调节，风机的启动性好、刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降、额定点以前的功率输出饱满、额定点以后的输出功率平滑、风轮叶根承受的动、静载荷小。变桨系统作为基本制动系统，可以在额定功率范围内对风机速度进行控制。

变桨控制系统有4个主要任务：

①通过调整叶片角把风机的电力速度控制在规定风速之上的一个恒定速度；

②当安全链被打开时，使用转子作为空气动力制动装置，把叶子转回到羽状位置（安全运行）；

③调整叶片角以规定的最低风速从风中获得适当的电力；

④通过衰减风转交互作用引起的振动使风机上的机械载荷极小化。

（2）变桨系统工作原理

①变桨系统桨距调节　当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到50°，当叶轮转速达到1.5r/min时，再调节到0°，使叶轮具有最大的启动力矩，直到风力机组达到额定转速并网发电。

在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不做任何调节。

当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使发电机的输出功率保持在额定功率。

②顺桨停机保护　变桨系统不仅实现风机启动和运行时的桨距调节，还实现了风力发电机组的刹车系统的作用。

在正常停机和快速停机的情况下，变桨系统将叶片变桨到89°，使叶轮逐渐停转。

在三级故障或安全链断开的情况下，在变桨系统的帮助下进行紧急停机，每一个叶片分别由各自的蓄电池控制完成顺桨操作，即使叶片碰到91°限位开关，利用叶片的气动刹车，起到安全保护作用。

3.1.2　变桨系统的主要部件

变桨系统主要组成零部件有轮毂、变桨轴承、变桨驱动装置、叶片锁定装置、指针、撞块以及变桨控制系统等。

（1）轮毂

轮毂是风力发电机组中重要的零部件，体积较大，安装不便。为了提高轮毂的安全性和可靠性，必须保证轮毂在承受静载荷和高应力情况下，具有可靠的强度、刚度、抗疲劳破坏的能力和足够的疲劳寿命。

①轮毂的作用　变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。

轮毂在大型风力发电机传动系统中连接叶片和主轴，承受复杂的交变载荷，这对轮毂强度提出很高的要求。为了满足强度要求，有些轮毂设计得非常笨重而且巨大，轮毂过重增加了制造成本，同时转动惯量过大增加了系统控制难度，因此对轮毂结构优化设计很重要。

②轮毂的结构　由于风力发电机组叶片上所承受的复杂的静动载荷直接通过叶片轴承传递到轮毂上，所以轮毂的受力情况非常复杂。由于轮毂上带有法兰盘、3个检查孔，当承受交变载荷时，法兰盘和检查孔处由于形状和结构突变，很容易造成应力集中。轮毂可以是铸造结构，如图3-1所示，也可是焊接结构。轮毂的常用形式主要有刚性轮毂和铰链式轮毂（柔性轮毂或跷跷板式轮毂），刚性轮毂由于制造成本低、维护少、没有磨损，三叶片风轮一般采用刚性轮毂。刚性轮毂安装、使用和维护较简单，日常维护工作较少，只要在设计时充分考虑轮毂的防腐蚀问题，基本上可以说是免维护的，是目前使用最广泛的一种形式。在设计中，应保证轮毂有足够的强度，并力求简单，提高寿命，而且能有效降低成本。

③轮毂的主要材料　风电机组运行在随机变化的自然环境中，受力情况非常复杂。由于风电机组的大型化，结构的变形也更加显著，因此风电机组的主要部件的静力学问题和动力学问题将更加突出。从国外的风电机组的运行实际情况来看，风电机组静动特性问题研究不足，将造成风电机组不能正常运行，甚至失效毁坏。因此有必要对风电机组及其零部件的静动特性进行更加深入的研究。

其材料可以是铸钢，也可以采用高强度球墨铸铁。由于高强度球墨铸铁具有不可替代的优越性，如铸造性能好、容易铸成、减振性能好、应力集中敏感度低、成本低等，在风力发电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材料。

（2）变桨轴承

变桨轴承安装在轮毂上，通过外圈螺栓固定。其内齿圈与变桨驱动装置啮合运动，并与叶片连接。

①变桨轴承工作原理　当风向发生变化时，通过变桨驱动电机带动变桨轴承转动，从而改变叶片对风向的迎角，使叶片保持最佳的迎风状态，由此控制叶片的升力，以达到控制作用在叶片上的扭矩和功率的目的。

②变桨轴承结构　从剖面图3-2可以看出，变桨轴承采用深沟球轴承。深沟球轴承主要承受纯径向载荷，也可承受轴向载荷。承受纯径向载荷时，接触角为零。

位置1：变桨轴承外圈螺栓孔，与轮毂连接。

位置2：变桨轴承内圈螺栓孔，与叶片连接。

位置3：S标记，轴承淬硬轨迹的始末点，此区轴承承受力较弱，要避免进入工作区。

位置4：位置工艺孔。

位置5：定位销孔，用来定位变桨轴承和轮毂。

位置6：进油孔，在此孔打入润滑油，起到润滑轴承作用。

位置7：最小滚动圆直径的标记（啮合圆）。

③变桨轴承的维护

a.检查变桨轴承表面清洁度。

b.检查变桨轴承表面防腐涂层。

c.检查变桨轴承齿面情况。

d.变桨轴承螺栓的紧固。

e.变桨轴承润滑。

（3）变桨驱动装置

①变桨驱动装置由变桨电机和变桨齿轮箱两部分组成。变桨驱动装置通过螺柱与轮毂配合连接。变桨齿轮箱前的小齿轮与变桨轴承内圈啮合，并要保证啮合间隙应在0.2～0.5mm之间，间隙由加工精度保证，无法调整。

②变桨齿轮箱必须为小型并且具有高过载能力。齿轮箱不能自锁定以便小齿轮驱动。为了调整变桨，叶片可以旋转到参考位置、顺桨位置，在该位置叶片以大约双倍的额定扭矩瞬间压下止挡。这在一天运行之中可以发生多次。通过短时间使变频器和电机过载来达到要求的扭矩。齿轮箱和电机是直联型。变桨电机是含有位置反馈和电热调节器的伺服电动机。电动机由变频器连接到直流母线供给电流。

③驱动装置图（图3-3）

位置1：压板用螺纹孔，用于安装小齿轮压板。

位置2：驱动器吊环，用于起吊安装变桨驱动器。

位置3：螺柱，与轮毂连接用。

位置4：电机接线盒。

④驱动装置维护

a.检查变桨驱动装置表面清洁度。

b.检查变桨驱动装置表面防腐层。

c.检查变桨电机是否过热、有异常噪声等。

d.检查变桨齿轮箱润滑油。

e.检查变桨驱动装置螺栓紧固。

（4）顺桨接近撞块和变桨限位撞块

①变桨限位撞块安装在变桨轴承内圈内侧，与缓冲块配合使用。

②当叶片变桨趋于最大角度的时候，变桨限位撞块会运行到缓冲块上起到变桨缓冲作用，以保护变桨系统，保证系统正常运行。参阅图3-4。

位置1：变桨限位撞块与变桨轴承连接时定位导向螺钉孔。

位置2：顺桨接近撞块安装螺栓孔，与变桨限位撞块连接。

位置3：变桨限位撞块安装螺栓孔，与变桨轴承连接。

③顺桨接近撞块安装在变桨限位撞块上，与顺桨感光装置配合使用。

④顺桨接近撞块和变桨限位撞块的基本维护

a.检查顺桨感光装置的清洁度，以保证能够正常接受感光信号。

b.检查易损件缓冲块，做到及时更换。

c.检查各撞块螺栓的紧固。

（5）极限工作位置撞块和限位开关

①极限工作位置撞块安装在内圈内侧两个对应的螺栓孔上。结构如图3-5所示。

②当变桨轴承趋于极限工作位置时，极限工作位置撞块就会运行到限位开关上方，与限位开关撞杆作用，限位开关撞杆安装在限位开关上，当其受到撞击后，限位开关会把信号通过电缆传递给变频柜，提示变桨轴承已经处于极限工作位置。

③限位开关的基本维护包括检查开关灵敏度，是否有松动；检查限位开关接线是正常，手动刹车测试；检查螺栓紧固状况。

（6）电池柜

电池柜系统的作用是保证变桨系统在外部电源中断时可以安全操作。电池柜是通过二极管连接到变频器共用的直流母线供电装置，在外部电源中断时，由电池供应电力，保证变桨系统的安全工作。每一个变频器都有一个制动断路器，在制动状态时避免过高电压。变频器应留有与PLC的通信接口。

（7）变桨控制系统

变桨距风力发电机组控制系统在额定风速以下时，风力机按照固定的桨距角运行，由发电机控制系统来控制转速，跟踪风力机的最佳叶尖速比，从而获得最大风能利用系数，风力机的转速随着风速的增加而增加；在额定风速以上时，风力机作变桨运行，依靠机械调节，改变风能利用系数，从而控制风电机组的转速和功率，避免风电机组超出转速极限和功率极限运行。

①控制系统目的　从额定功率起，通过控制系统将叶片以精细的变桨角度向顺桨方向转动，实现风机的功率控制。如果一个驱动器发生故障，另两个驱动器可以安全地使风机停机。变桨控制系统包括3个主要部件，驱动装置——电机，齿轮箱和变桨轴承。

变桨控制系统是通过改变叶片迎角，实现功率变化来进行调节的。通过在叶片和轮毂之间安装的变桨驱动电机带动回转轴承转动从而改变叶片迎角，由此控制叶片的升力，以达到控制作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。在90°迎角时是叶片的工作位置。在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化而达到限制功率。一般变桨角度范围为0°～90°。采用变桨距调节，风机的启动性好、刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降、额定点以前的功率输出饱满、额定点以后的输出功率平滑、风轮叶根承受的动、静载荷小。变桨系统作为基本制动系统，可以在额定功率范围内对风机速度进行控制。

②变桨中央控制箱执行轮毂内的轴控箱和位于机舱内的机舱控制柜之间的连接工作。

变桨中央控制箱与机舱控制柜的连接通过滑环实现。通过滑环机舱控制柜向变桨中央控制柜提供电能和控制信号。另外，风机控制系统和变桨控制器之间用于数据交换的连接，也通过这个滑环实现。

变桨控制器位于变桨中央控制箱内，用于控制叶片的位置。另外，3个电池箱内的电池组的充电过程，由安装在变桨中央控制箱内的中央充电单元控制。

③变桨控制系统的保护种类

a.位置反馈故障保护。为了验证冗余编码器的可利用性及测量精度，将每个叶片配置的两个编码器采集到的桨距角信号进行实时比较，冗余编码器完好的条件是两者之间角度偏差小于2°；所有叶片在91°与95°位置各安装一个限位开关，在0°方向均不安装限位开关，叶片当前桨距角是否小于0°，由两个传感器测量结果经过换算确定。除系统掉电外，当下列任何一种故障情况发生时，所有轴柜的硬件系统应保证3个叶片以10°/s的速度向90°方向顺桨，与风向平行，风机停止转动；任意轴柜内的从站与PLC主站之间的通信总线出现故障，由轮毂急停、塔基急停、机舱急停、振动检测、主轴超速、偏航限位开关串联组成的风机安全链以及与安全链串联的两个叶轮锁定信号断开（24VDC信号）；无论任何一个编码器出现故障，还是同一叶片的两个编码器测量结果偏差超过规定的门限值；任何叶片桨距角在变桨过程中两两偏差超过2°；构成安全链、释放回路中的硬件系统出现故障；任意系统急停指令。

b.变桨调节模式时，预防桨距角超过限位开关的措施。91°限位开关，到达限位开关时，变桨电机刹车抱闸；轴柜逆变器的释放信号及变桨速度命令无效，同样会使变桨电机静止。变桨电机刹车抱闸的条件：轴柜变桨调节方式处于自动模式下，桨距角超过91°限位开关位置；轴柜上控制开关断开；电网掉电且后备电电源输出电压低于其最低允许工作电压；控制电路器件损坏。