贺箭林1 欧阳慧平2
（1.福建晋江天然气发电有限公司 362251；2.江西省工业工程职业技术学院 337055）
摘要：本文对石圳风电场风机变桨系统的常见故障进行了统计分析，针对变桨系统故障致使风机在台风中的受损机理进行了阐述，根据生产实际运行经验，对如何减少变桨系统故障，提高风机可利用率，及风电场应对台风的措施，提出了实际的改进方法和措施。
一、湘电xe82风机变桨系统的简要介绍
变桨系统在不同的风况下控制功率与转速的平衡，当风较大时，使桨叶迎角减小，控制吸收的风能，同时减少风力对风电机组的冲击；风小时，使桨叶迎角增大保证获取最大的风能。在并网过程中，变桨控制还可实现快速无冲击并网。同时在风机发生故障或风速等超出风机正常运行范围的情况下使桨叶到达安全位置，以保证风机的安全。
1.1电动变桨距系统
电动变桨距系统一般包括变桨距伺服电动机，伺服驱动器，独立的控制系统，蓄电池，减速箱，齿盘，传感器等部分。其中传感器部分包括桨叶角度位置传感器、速度传感器和两个限位开关。
图1为电动变桨距系统布局图。风机主轴上安装着轮毂，在轮毂圆周均匀分布着3 个变桨
图1电动变桨距系统的布局图
轴承，轴承内侧有齿轮，桨叶根部安装在轴承内，桨叶在轴承内旋转就改变了桨距角。在桨叶根部安装有变桨距驱动电动机，3个变桨装置独立，但它们的桨距角变化是按规律同步的。
图1为电动变桨距控制系统原理图。此控制系统采用蓄电池作为冗余电源保护，机组在正常运行条件下采用风机系统提供的外部交流电源供电。当电网故障或系统电源断电时，系统将自动切换到后备蓄电池供电模式，直接由蓄电池提供动力和控制电流，保证风机能及时安全地收桨。三套蓄电池和轴控制盒以及伺服电机和减速机安置于轮毂内，每支桨叶一套，整个系统的通讯总线和电缆通过滑环与机舱的主控制器连接。
图2为变桨执行机构原理图。每个桨叶分别采用一个带位移反馈的伺服电机进行独立调节。位移传感器采用光电编码器A，安装在电动机输出轴上，光电编码器B联接在在编码器之前，共同采集电机转动速度及角度。由于桨距角的变化速度都很慢，一般不超过每秒15°，而一般的伺服电机额定转速都为每分钟几千转，因此需要一个减速机构。伺服电机连接行星减速器，通过主动齿轮与桨叶轴承内齿圈相连，带动桨叶转动，实现对桨叶节距角的直接控制。
出现故障时，即光电编码器A与光电编码器B所测值进行经计算换算后不一致时，控制器便认为系统出现故障。在桨叶内齿圈边上还装有两个限位开关。如果系统出现故障，桨叶立即调节为顺桨位置，电机刹车片使电机制动，保持桨叶处于顺桨位置。
（1）变桨驱动器故障：包括变频器通讯中断（端子松动，接线接触不良）控制板件损坏、变频器动力回路接线绝缘破坏导致的损坏、导线插头虚焊等。
（2）备用电源系统蓄电池：在电动变桨系统中，蓄电池的故障是变桨系统故障率最高的，特别是风机运行2年后，部分蓄电池老化、蓄电池联接线松动或损坏、导致的故障率特别多（3）变桨电机：变桨电机损坏部分是本身质量如线圈断线、直流电机碳刷磨损等
（4）角度速度编码器：大部分的故障均为螺丝松动、数据线接触不良，部分为编码器本身故障。
（5）变桨限位开关：限位开关接线回路松动、导线折断故障较多。此类故障也极易造成后续故障如变桨电机损坏、变频器（变桨驱动器）等的损坏。
（6）变桨电机温度高：由于变桨散热风扇质量问题导致故障率高：目前已更换第四代产品电机温度高故障基本已消除。
三、风机变桨系统故障在台风时的灾难性危害
福建地处东南沿海，夏秋季常受台风影响。台风时的极端风速、异常湍流和突变风向是风电机组在台风中遭受破坏的主要原因。如果台风时变桨系统故障导致风机部分叶片无法收回，将导致叶片的迎风面积增大，三支叶片角度不同造成叶片很大的气动不平衡，加上台风期间的极端风速、异常湍流和突变风向，叶片在狂风吹拂下产生剧烈扭谐振，变桨机构极易损坏。此时，风机轻则叶片断裂，重则变桨机构全部损坏，叶片位置失去控制导致风轮带着机械刹车旋转甚至失控飞车、风机倒塔。2006年8月17日“桑美”台风通过浙江苍南风电场时，5台风机倒塔；一台风电机的3支叶片在根部断裂，估计主要原因是强风使风轮轮毂中的变桨机构损坏，叶片角度变化后增加了叶片的迎风面积，导致３叶片在根部断裂。2003 年的“鸣蝉”台风也造成了一些变桨风电机组的变桨机构损坏。
四、XE82湘电风机变桨系统缺陷
1.湘电XE82由于编码器（速度角度）都在变桨电机侧，且未在桨叶内齿圈的边安装一个非接触式位移传感器，检测内齿圈转动的角度，如果变桨减速器出现故障，就会导致叶片无法收回，且无告警故障信息。例如2号风机2号面变桨减速器故障（初步判断星型齿轮不能正常转动），变桨电机可以正常转动，用后台HMI对叶片进行手动变桨时，后台显示桨叶在变桨，而就地叶片不变动，假设风机正处在台风期间，叶片无法收回，然后台监控又显示已收回，后果是不可想象的。
五、防止风机变桨系统故障造成台风灾难性损害的措施
（1）生产运行维护期间，要定期检查变桨电机刹车片磨损情况，及时调整和更换刹车片，保证变桨电机的制动力矩达到要求；及时更换老化的蓄电池，保证风机的备用电源完好；及时调整或更换出现故障的限位开关，避免由于限位开关不返回导致风机叶片收桨故障；定期清洗滑环，对滑环滑道有磨损的及时更换；定期紧固变桨系统的各个电气连接及机械连接处的螺丝，保证连接牢固。
（2）台风来袭时风电场的对策。要牢固树立“远离台风时抢发电量，接近台风时保安全。”的理念。在台风风速较大、风向突变前应及时主动将风机停止运行，风机桨叶全部收回，将维护开关切至ON 并偏航背风，避免在台风时由故障停机等原因导致桨叶收不回的情况。
论文作者:贺箭林1,欧阳慧平2
论文发表刊物:《电力设备》2016年第7期
论文发表时间:2016/7/4
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