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风能作为清洁可再生能源的代表之一，在全球能源转型中扮演着越来越重要的角色。风力发电作为最主要的风能利用方式之一，风电机组的性能和稳定运行直接影响着风电行业的发展。而在风电机组中，变桨系统是其核心组成部分之一，负责调整叶片角度以捕捉更多的风能，是风力发电的重要支撑技术。
定义
风电变桨系统，作为风力发电机组的核心组成部分，主要负责对风力发电机组的风轮叶片的桨距角进行动态调整。其目标在于确保风力发电机组在额定风速以上的功率平衡，以及在极端天气条件下，通过气动制动来保障风力发电机组的整体安全。通过变桨控制，系统能够有效地调节风轮叶片的攻角，以适应不同风速下的工作需求，从而实现风力发电的高效与稳定。
变桨系统主要由PLC、驱动器、后备电源、变桨电机、旋转变压器、限位开关等部件构成，电气信号通过滑环与主控系统相连。系统采用六箱体结构，每个叶片对应一套交流伺服驱动系统和后备电源，分别置于驱动箱和后备电源箱中，驱动箱和后备电源箱共用安装框架。其余变桨相关器件如低压配电、防雷系统、直流控制电源等合理分布于三只驱动箱中。
变桨系统示意图
变桨控制技术简单来说，就是通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的气动转矩和气动功率。
变桨机构控制叶片相对于旋转平面的位置角度。小型风机没有变桨机构，在高速时必须依靠失速来调节转速。变桨控制使风机在低风速时即可获得电能，在风速大于额定风速时截获到固定大小的风能。控制桨距角的方法不止一种；各种方法都需要对叶片角度进行控制的机制。控制算法持续监测风速和发电机出力，调节叶片的桨距角。当风速高于额定风速时，叶片桨距角大幅增加以改变攻角、诱导失速。
变桨机构在轮毂的前部，在轮毂和叶片的根部，齿轮将二者连接。外侧电动机通过齿轮或者带齿传动带对变桨进行操控。外侧电动机及变桨系统的其他部分都在轮毂内，并随之传动。
随着风力发电技术的迅速发展，风电机组正从恒速恒频向变速恒频、从定桨距向变桨距方向发展。变桨距风电机组以其能最大限度地捕获风能、输出功率平稳、机组受力小等优点，已成为当前风电机组的主流机型。
发展历程
——1970年代初期
现代风力发电技术的先驱们开始研发用于电力生产的风力发电机，最初的设计多采用固定桨叶或简单调节机制，对风力的利用效率相对较低。
——1980年代
随着风电技术的成熟，风电机组开始采用更为高级的变桨技术，如失速型和节距控制型叶片设计，这些设计允许风力发电机在不同风速下更有效地运行，提高了能量捕获效率。
——1990年代
风电行业经历了快速增长，变桨系统也得到了显著改进，电动伺服控制的节距调节系统成为大型风力发电机的标准配置，提供了更精确的叶片角度控制，以及更好的负载管理和功率调节能力。
——2000年代初
随着全球对可再生能源越来越重视，风电装机容量迅速扩大，变桨系统作为关键的技术创新领域之一，持续优化，包括提高系统的可靠性、耐久性和维护的便捷性。
——2010年代
风电变桨系统技术进入高度成熟的阶段，智能化、自动化和远程监控操作开始成为行业标准。先进的材料、传感器技术和控制算法的应用进一步提高了系统的性能，同时还降低了成本。
——至今
风电变桨系统继续向更高的智能化和优化性能方向发展，例如通过采用机器学习和数据分析技术预测维护需求，以及通过集成更多的传感器实现实时监控和故障诊断。
（资料图：阳光风能）
原理
风力发电机组的调浆控制是根据风速来确定桨叶的角度的（全叶面调浆），通过改变桨叶的角度来改变功率因数。通过改变桨叶的角度，桨叶转子的转速和功率将受到影响。如果通过桨叶，对风机的受力过大，经过调整后，可以减少过大的受力。风机的转速和桨叶的扭曲程度可以通过电信号反馈给控制系统，这样使得每个桨叶的角度独自的调整。
桨叶调浆旋转角度在0到90°之间。在桨叶位于做功位置时桨叶最大的面积几乎是朝着风向的，着风面积最大。当利用桨叶刹车时，桨叶的前端是是朝着风向的，着风面积最小。三个桨叶当中的每一个都是通过直流电机和一个齿轮箱来驱动的。控制器驱动电机，从而使齿轮箱转动，带动调浆轴承，使桨叶的角度改变。
调桨系统也可以用来在风机处于紧急情况下实现煞车作用。在电动能源——蓄电池的作用下桨叶可以从工作角度转动至刹车角度。
电动调桨系统的动作速度快而且准确。在正常工作情况下如果风机遭遇强阵风，调浆系统可以迅速地调整桨叶工作角度，使风机工作在额定值范围内。
优点及功能
优点
变桨距控制，随着风速的变化调节桨叶节距角，稳定发电机的输出功率。 在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网，而紧急关机时,变桨距机构调节桨叶节距角为90°，使桨叶逆桨，风轮转速降低，减小对风力机负载冲击，提高系统寿命。
变桨距控制系统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。变桨距控制研究对变速恒频风力机组的研制有着重要的意义。
功能
在不同风速条件下，变桨系统能够实时调整每个叶片的角度，以实现以下功能：
（1）功率控制：当风速增加时，减小叶片迎风角度，限制风电机组输出功率在额定范围内，防止因过大的机械应力和电能输出对发电机及电网造成冲击；相反，在风速较低时，增大叶片迎风角度，优化捕获风能效率，提高发电量。
（2）转速控制：通过改变叶片的有效受风面积，间接控制风轮转速，使得风电机组能在各种风况下稳定运行，并维持恒定的发电机转速（变速恒频技术）。
（3）安全停机与制动：在紧急停机或者故障情况下，迅速将叶片调整到顺桨位置（即叶片与风向平行），利用空气动力学原理实现制动，使风电机组安全停止转动。
（4）防止过载保护：在极端风况下，变桨系统可以快速响应，调整叶片角度避免风电机组受到过大载荷，从而保护设备免受损害。
（资料图：盘古智能 液压变桨液压站）
作用
风电机组变桨系统是用于调整风机叶片角度的关键设备。其主要作用如下：
风向调节：变桨系统能够使风机叶片根据风向的变化自动调整角度，始终朝向风的方向，最大程度地捕捉风能，提高风电机组的发电效率。
风速调节：随着风速的变化，变桨系统可以调整叶片角度，使风机叶片在不同风速下运行在最佳工作状态，保持风电机组的稳定输出。
转矩控制：通过调整叶片角度，变桨系统可以控制叶片对风的阻力，实现对风机转矩的控制，保证风机在不同风速下安全运行。
机构分类
变桨距控制方式一般可以分为两种，一种是电机执行机构，另一种是液压执行机构。
电机执行机构
电机变桨距执行机构利用电动机对桨叶进行单独控制，由于其机构紧凑，可靠，没有象液压变桨距机构那样传动结构相对复杂，存在非线性，泄漏、卡涩时有发生，所以也得到许多生产厂家的青睐。但其动态特性相对较差,有较大的惯性，特别是对于大功率风力机。而且电机本身如果连续频繁地调节桨叶，将产生过量的热负荷使电机损坏。
液压执行机构
液压执行机构通过液压系统推动桨叶转动，改变桨叶节距角。该机构以其响应频率快、扭矩大、便于集中布置和集成化等优点在目前的变桨距机构中占有主要的地位，特别适合于大型风力机的场合。国外著名的风力机厂丹麦的Vestas、德国的Dewind、Repower等等都采用液压变桨距方式，目前美国研制最大的容量的风力机也采用液压执行机构。
（资料图：阳光风能）
分类
风电变桨系统通常包括电动变桨和液压变桨两种主要类型。
液压变桨距系统
液压变桨距系统采用液压缸作为原动机，通过一套曲柄滑动结构同步驱动三个桨叶变桨距。变桨距机构主要由推动杆、支撑杆、导套、防转装置、同步盘、短转轴、连杆、长转轴、偏心盘、桨叶、法兰等部件组成。变桨控制系统根据当前风速算出桨叶的桨距角调节信号，液压系统根据指令驱动液压缸，液压缸带动推动杆、同步盘运动，同步盘通过短转轴、连杆、长转轴推动偏心盘转动，偏心盘带动桨叶进行变桨距。
液压变桨距执行机构的桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接，桨距角同液压缸位移成正比。当桨距角减小时，液压缸活塞杆向右移动，有杆腔进油；当桨距角增大时，活塞杆向左移动，无杆腔进油。液压系统的桨距控制是通过电液比例阀实现的，电液比例阀的控制电压与液压缸的位移变化量成正比，利用油缸设置的位移传感器，利用PID调节进行液压缸位置闭环控制。为提高顺桨速度，变桨距执行系统不仅引入差动回路，还利用蓄能器为系统保压。当系统出现故障断电紧急关机时，立即断开电源，液压泵紧急关闭，由蓄能器提供油压使桨叶顺桨。
电动变桨距系统
电动变桨距系统由变桨控制器、伺服驱动器和备用电源系统组成。其能够实现3个桨叶独立变桨距，给风力发电机组提供功率输出和足够的刹车制动能力，从而避免过载对风机的破坏。
电动变桨距系统的每个桨叶配有独立的执行机构，伺服电机连接减速箱，通过主动齿轮与桨叶轮齿内齿圈相连，带动桨叶进行转动，实现对桨距角的直接控制。
如果电动变桨距系统出现故障，控制电源断电，伺服电机由备用电源系统供电，15s内将桨叶紧急调节为顺桨位置。在备用电源电量耗尽时，继电器节点断开，原来由电磁力吸合的制动齿轮弹出，制动桨叶，保持桨叶处于顺桨位置。在轮毂内齿圈边上还装有一个接近开关，起限位作用。在风力机正常工作时，继电器上电，电磁铁吸合制动齿轮，不起制动作用，使桨叶能够正常转动。
（资料图：汇川技术官网）
变桨系统在风力发电机组中的意义
在风力发电机组中，变桨系统是非常重要的一部分，其作用主要有以下几个方面：
1. 提高发电效率
风力发电机组的发电效率与叶片的调整角度有直接关系，如果叶片的角度调节不够合理，风力发电机组就难以达到最佳的发电效率。通过变桨系统的自动调节，能够让叶片始终处于最佳的角度，从而提高风力发电的效率。
2. 保护风力发电机组
当风速超过额定值时，叶片的旋转速度就会超过额定值，可能损坏机器。而通过变桨系统的自动调节，可以保证旋转速度不会超过额定值，从而保护风力发电机组的安全运行。
3. 降低运营成本
风力发电机组的运营成本与设备的维护保养费用有关，如果机器受损需要经常进行维护，那么就会增加运营成本。而通过变桨系统的自动调节，可以降低机器的损坏率，减少维护费用。
4. 增强机器的适应性
风力发电机组在自然环境下受到很多干扰，如天气、风速等因素都会影响机器的运行效率。而通过变桨系统的自动调节，可以让叶片在不同的环境中始终处于最佳工作状态，提高机器的适应性。
变桨系统典型故障与维修
一、液压变桨系统典型故障与维修
１、典型故障分析
液压站减压故障与检修：液压变桨系统是间歇工作系统，当风电机组处于运行状态时，桨叶角度根据风电机组控制策略需要不断进行调整。以满足控制风电机组功率的需求。这需要液压站频繁进行建压操作。液压泵和液压马达启停次数较多，会造成相应的控制电气元件故障多发。
液压控制阀块故障与检修：在由各种液压元件组成的液压控制回路系统中，比例阀是其中最重要的组件，液压变桨中控制系统的桨距控制是主要通过比例阀来实现的。风电机组长周期运行后，比例阀故障概率增高比例阀故障后，风电机组无法正常变桨。此故障需检修人员进行比例阀检修或更换，特别是要分析损坏原因如果比例阀阀芯损坏由液压油污染引起，则需要先进行液压油处理。
液压油泄露与检修：液压油外泄漏主要是由于液压缸，阀块密封失效，接头处紧固松动或液压油管老化造成。大量油液泄漏不但会引起风电机组报“液压油位低”停机，还可能造成风电机组内外部污染，对环境造成影响。此类故障需检修人员检查泄漏部位，进行更换密封圈，紧固接触部位等处理后再进行补油。
２、液压变桨系统维护
根据液压变桨系统特点及运行维护经验，在正常进行风电机组定期维护项目的基础上，应有针对性地开展液压变桨系统易损部件检查、增加油液品质化验频次、定期更换老化密封件等维护项目。
将变将系统易损件检查列入风电机组定检：对于在运行过程中发现的易损电气件，如液压 马达接触器和液压阀等，如不在原定检查测试范围内，应修改定检项目，将其列入检查范围，如在定检中发现易损件品质下降严重，可提前进行更换，避免定检后短期内出现故障。
控制液压油污染：适当降低油品试验周期长周期运行后，风电机组液压油洁净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，降低系统中液压部件的使用寿命。除按期进行液压系统空气滤和油滤的更换外，还要定期清理油箱 管道及元件内部的污物，及时更换磨损严重阀块。运行三年及以上的风电机组，必要进将液压油试验周期由一年调整为半年，便于及时发现油品劣化趋势进行处理。
二、电动变桨系统典型故障分析与维修
１、典型故障分析
变桨电气回路系统故障与检修：变桨电气回路系统常见故障为变频器损坏、电机发热、功率不足、接线松动、卡桨等。需要检修人员根据故障报警内容进行故障点判断和处理。如出现卡桨且无明显故障点则可手动进行多次变桨。直到恢复正常为止，多次出现上述现象则应考虑加大变桨电机功率或加强变桨轴承润滑。
变桨电滑环故障与检修：作为机舱和轮毂电气连接的部件，变桨电滑环地位非常重要。变 桨系统通讯故障或变桨系统供电故障将触发风电机组安全链动作。紧急停机、变桨滑环故障多 由于接线松动或滑环内部接触不良引起。检修时需进行相应的检测。必要时对滑环进行重新清洗，滑道磨损严重时应进行更换。
后备电池故障与检修：风电机组用后备电池主要有免维护铅酸蓄电池和超级电容两种，其 中超级电池具有较长的使用寿命，但造价相对较高由于轮毂内运行环境恶劣，长时间运行后，使用蓄电池作为后备电源的风电机组经常出现蓄电池故障告警风电机组停机。检修人员可通过程序或人工对蓄电池进行检测，确定电池故障是由于接线松动还是本身品质下降，相应地进行处理。
2、电动变桨系统维护
由于风电机组运行中轮毂处不断旋转状态，离心力和在重力方向的不断改变使电动变桨系 统各部件均承受了脉动的载荷，加之温度变化，运行工况相对较差。加强变桨系统部件检查和 定期维护，可以有效减少变桨系统的故障发生率。
加强变桨传动系统润滑：除按半年周期进行系统变桨轴承、变桨电机、减速机的润滑外，如风电机组发生卡桨，电机发热等缺陷确认为变桨转动荷载增加原因时，应对整个系统重新进行一次润滑维护。
电滑环系统维护应严格按厂家推荐方法进行：在实际工作中，由于滑环系统拆卸和维护相 对复杂，部分检修人员在进行滑环定检工作时，存在润滑过度或装配环节不能保证滑环内的清 洁度问题给后期运行留下隐患。
定期进行后备电池检测：除风电机组主控程序对风电机组后备电池进行检测外，建议在定检时用手持式检测仪对电池进行全检，及时发现内阻增加，容量下降的电池，进行处理或更换，有条件的企业可以安装电池在线检测装置，实现全天候状态检测，当发现全部电池均存在劣化情况时，应全部进行更换部分厂家推荐每三年进行一次更换。
行业发展前景预测
风电变桨系统行业作为风力发电产业链中的核心技术领域，其发展前景在诸多有利因素的驱动下呈现出积极向上的态势。全球范围内对可再生能源的重视度持续提升，各国政府纷纷制定严格的碳排放目标和清洁能源发展战略。在此背景下，风电作为一种成熟且经济高效的可再生能源形式，装机规模预计将持续扩大。而变桨系统作为优化风电机组运行效率、确保安全稳定的关键部件，市场需求将随风电产业整体扩张而增长。
技术进步与创新是推动风电变桨系统行业发展的重要引擎。随着大容量、智能化海上风电项目的发展，对变桨系统的性能要求日益提高，包括轻量化设计、高效能控制、远程监控及故障诊断等功能的研发将成为未来趋势。此外，新材料的应用、先进制造工艺的推广以及数字孪生、人工智能等先进技术的融入，都将助力变桨系统实现更优的技术指标和更低的运维成本。考虑到风电平价上网时代对降低成本的紧迫需求，以及能源结构转型带来的长期市场潜力，风电变桨系统行业有望通过规模化生产、标准化建设以及服务体系完善等途径不断提升竞争力。同时，海外市场拓展也为我国风电变桨系统制造商提供了广阔的增长空间。总的来看，未来风电变桨系统行业在面临挑战的同时，也伴随着巨大的发展机遇，有望在全球绿色低碳转型的大潮中扮演更加重要的角色，并逐步成长为更具活力和竞争力的高科技产业板块。
代表企业
阳光风能
阳光电源股份有限公司是一家专注于太阳能、风能、储能、氢能、电动汽车等新能源电源设备的研发、生产、销售和服务的国家重点高新技术企业。主要产品有光伏逆变器、风电变流器、储能系统、水面光伏系统、新能源汽车驱动系统、充电设备、可再生能源制氢系统、智慧能源运维服务等，并致力于提供全球一流的清洁能源全生命周期解决方案。
2022年，阳光风能重磅推出全新业务板块——风电变桨产品，设计出SPD100-45/55、SPD101-45/55、SPD102-65这三款变桨驱动器，兼具安全可靠、灵活智能和高度集成的优点，全方位提升了整个风力发电系统的发电效率和电能质量，为全球海上、陆地风力发电创造了更多精彩和可能。
（资料图：阳光风能风电变桨产品）
上海电气电力电子公司
上海电气电力电子有限公司属于上海电气输配电集团控股企业，成立于2007年4月，致力于与新能源有关的电气控制系统和电力电子技术相关的电业产品的设计、生产、销售和服务，拥有新技术产品和强大的研发能力，采取引进先进技术和自主研发相结合的方式，完全符合和满足我国当前在风电、电力电子等领域国家科技发展支撑计划的要求。
（资料图：上海电气电力电子有限公司变桨系统）
汇川技术
深圳市汇川技术股份有限公司（简称“汇川技术”）创立于2003年，聚焦工业领域的自动化、数字化、智能化，专注于工业自动化控制产品的研发、生产和销售，定位服务于高端设备制造商，持续致力于以领先技术推进工业文明，快速为客户提供更智能、更精准、更前沿的综合产品及解决方案，是国内工业自动化控制领域的佼佼者和上市企业。汇川变桨驱动器内置丰富接口和功能，满足不同客户应用需求。采用全金属壳体，有良好的抗振动、抗冲击及EMC性能。易用的HMI 软件，可轻松实现在线仿真和监控；人体工程学提手、支持SD卡下载操作系统和应用程序、故障录波（黑匣子）、后备电源中间电压检测、后备电源在线健康状态检测等功能，便于安装、接线、调试和运维。汇川技术变桨驱动器适应于新装机和改造后市场，首批样机已经在风场连续安全无故障运行超过5年。
（资料图：汇川技术集成单驱动变桨系统解决方案）
盘古智能
青岛盘古智能制造股份有限公司创建于2012年，是一家专业从事集中润滑系统、液压系统及核心部件的研发、制造与销售为一体的股份制企业，产品广泛应用于风力发电、工程机械、轨道交通、矿山设备、隧道掘进设备、农业机械、港口机械等领域。
风电液压变桨产品包括：液压变桨液压站、活塞式蓄能器、叶片锁油缸、轮毂锁油缸、变桨阀组、液压油缸。
（资料图：变桨阀组）
纳泉能源科技
中国纳泉能源科技控股有限公司专注于新能源电力产业的综合服务，于2020年10月20日在香港联交所主板上市。集团围绕储能及风电变桨控制系统两大核心产业，已在中国的华北、华东及华南等地区建立了成熟的业务网络，辐射全球新能源业务。
其子公司弘远新能源是中国的风电及变桨控制系统解决方案供应商。主要从事风机高压变桨控制系统的研发、整合、制造及销售。我们亦提供变桨控制系统主要组件定制整合服务。
变桨系统产品特点：
★ 高压集成、结构紧凑、体积小、重量轻
★ 测试认证完备，电网适应性强
★ 系统响应速度快、稳态精度高
★ 故障报警和记录功能完善，易于调试维护
（资料图：纳泉弘远）
来源综合自：百度百科、百度文库、风电电气设计、智研瞻产业研究院、 电气小课堂
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