浅谈风机变桨的新型通风结构

（国华巴彦淖尔（乌拉特中旗）风电有限公司，内蒙古巴彦淖尔市，015000）云再鹏

1 引言

风力发电是近几年发展最为迅速的新能源产业之一[1]。现在，为了促进工业现代化及环境保护的实现，不断促进可持续发展，风能作为一种环保性较好的能源正越来越受到重视。所以大型风电机组的研发已经成为工业现代化当中的一个要点。而风机变桨的新型通风结构的研发和电动变桨技术的实现，是改善大型发电机组的运行水平的一个重要方面。

2 风机变桨系统的主要工作原理

风力发电机组的构造，主要由主控、变桨两大控制体系组成。其中，变桨系统可以说是大型风电机组在控制当中的最核心的部分，可看作是大型风电机组的“变速箱”。小型的风电机组并不需要变桨系统，但大型风电系统却离不开变桨系统。它对于桨叶的精准控制包括其常规动作、紧急收桨等都具有不可替代的作用。

概括来说，当风速超出额定风速时,大型风电机组通常采用变桨距的控制方式,通过调整叶片桨距角,改变气流对叶片的攻角,从而改变风电机组获得的空气动力转矩,实现对额定功率的稳定追踪[2]。

通过变桨系统，风电机组可以在风速较低时获得电能。当风速超过额定风速时，则截获到固定大小的风能。对桨距角进行控制的手段是多样化的，但不管采取何种手段都必须控制好叶片的角度。并通过算法控制来对风速及发动机进行持续监测，对叶片桨距角随时进行调节。此时叶片桨距角会大幅度提升，使攻角进行调整，诱导失速。

风电机组变桨系统位于轮毂前部，而齿轮在轮毂及叶片根部将两者连在一起。由外侧电动机在齿轮和带齿传动带的作用下来操控变桨。变桨系统的外侧发动机和其余部件，均位于轮毂之内且随轮毂进行转动。

3 风机变桨系统的基本构造

完整的风力发电机组通常由下列结构组成：风轮、变流器、偏航系统、发电机、风机主控制器、变桨控制系统、调速系统、制动器等。当然也有的机组只设驱动器而不设控制器。

这其中，最主要的部件在于前六者。帮助风力发电机组进行运作的辅助部件为偏航系统及制动器。当风力发电机组进行运转时，由主控制器进行相应运算，对信息进行采集，对不同桨叶需求的调节节距角度数，再下达一系列指令。变桨控制器接到指令后，便在伺服电机的作用下，使叶片进行旋转，再基于风能的动态来对机组的功率输出不断进行调节。这样，可做到无故障状态下的自动进行启动、对风、速度调节、并网发电等一系列环节的操作。一旦发生故障，可以根据故障的分级标准，进行相应级别的停机操作以确保其安全性。

另外，还可以通过主控制器，来进行对变桨控制器的实时通讯、输出及接收来自变桨执行系统的实时数据。

从风力发电机组的动态特性来看，由组成机组之构造的不同部件的全部动态特性组成。如风轮的气动特性，以及传递系统、发电机及控制系统的动态特性等组成。

4 电动变桨技术的概述

风力发电机组的变桨系统执行机构，分为液压变桨系统和电动变桨系统两种。虽然在现阶段，二者并无绝对的优劣之分。但是，从长远的角度来看，电动变桨技术相对于液压变桨系统来说具有明显的优势。比如，其适应能力较为理想、响应周期较短、精度较好、构造较为简洁、环保性好、维护成本较低等特点。所以近些年来在风力发电机组当中得到越发广泛的普及。

4.1 电动变桨系统的基本结构

从电动变桨系统的基本结构来看，大多采取的是七箱结构，总体上包括：变桨控制（主控）箱一个、轴控制箱及轴蓄电池箱各三个，还包括一些辅助元件如永磁直流伺服电机及配套件、9lo与950限位开关、桨距角绝对编码器、润油泵等。

4.2 变动变桨设计的基本原则

首先需要注意安全性。因机组的变桨装置是置于轮毂当中的，处于比较恶劣的工作环境，需要随时面对过高或过低的气温及较为潮湿或充满沙尘的外界环境。同时，机组在运转、震动或忽然间开关机时，很容易给变桨装置带来冲击。另外，风力发电机组必须安装在风力资源比较丰富的地方，比如边境地区或者海上。此时想要确保电网的安全性，机组必须采取分散式的布置，并做到无人值班，满足联系运转的需求。此时对于变桨装置的安全可靠方面都具有较高的需求。比如，当风速较高，而变桨距控制系统又因产生故障而无法进行顺桨时，就容易面临系统失速的状况，而容易引发传动设备的严重受损。而现阶段国产的风电控制系统，如变桨距控制系统等尽管也能够进行运转，但在使用安全及可靠等性能方面，同进口产品相比还是有不少差距的。很难整体进行使用。为此在进行设计时，一定要注意把握住安全可靠这个原则。比如在数据采集、传送、软件设计等环节方面必须要加强把关。

注重加强系统的电磁兼容性、防雷等方面的性能。变桨距控制系统在风机轮毂中，不但被大功率发电机及其变频变流装置产生的高压交流电场、静电场、电刷电弧、大功率开关器件等工业干扰与微波通讯、无线电信号、雷达等外界高频干扰所包围，而且还受到雷电、静电放电、磁爆等自然界干扰冲击，特别是因雷电损坏风电控制系统的故障时有发生。因此，在变桨距控制系统产品设计中应注重产品的电磁兼容性设计与防雷设计，通过滑环交换的信号端口必须并装防雷保护器件。

注重产品的维修性设计。变桨控制系统安装在风机轮毂中，工作时轮毂在高空与桨叶一起旋转，现场调试与维修环境条件苛刻。在产品设计中应注重产品的维修性设计。

4.3 系统研发当中的关键要素

系统研发当中的关键要素在于下列几个方面：结构设计、齿圈角位移及电机角速度、电机电枢电方面的电流调节环的调节算法。针对拟合外环及拟合内环的调节算法，前者需同时满足机组功率的良好调节及避免机构频繁进行动作，以及在三桨叶同步变桨顺桨方面的需求。而后者则需要一方面符合变桨的相应周期，另一方面防止功率元件和电流过热、设备发生多余的振动和冲击等。

满足系统的可靠性和维护方便上面的需求，使硬件做到安全可靠和便于维护。如关于电子元器件的测试、筛选、老化等技术，降额设计技术，结构的防振动、防冲击、防湿、防腐、电磁屏蔽、热设计技术，模块化设计技术等；软件的安全性、维护性、可靠性设计技术：包括软件安全性分析技术、软件安全性设计方法、软件部件或软件单元的内聚强、耦合弱的设计方法、模块化结构设计方法、软件设计的避错、查错、纠错与容错设计技术等。

5 结束语

大型风力发电机组的风机变桨系统，是机组最为核心的部件。随着时代的发展，对其通风结构的要求也越来越高。为此，我们需要在技术研发上面进一步取得突破，不断引进新的技术，开发出新型的、满足安全可靠和节能之原则的风机变桨系统。