马国鹏
大唐河南清洁能源有限责任公司， 河南郑州450000
摘要:统计分析风电场风机变桨系统常见故障，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，在设计、制造、安装及生产运行中，提出改进方法和措施。就目前来看，作为风力发电场发电机控制系统的重要组成部分，风机变桨系统在使用过程中，故障的高发给国家整体发展造成了极为不利的影响，为此本文主要基于风机变桨系统，针对其常见故障对优化处理策略进行了系统化探讨，为风机最大风能利用率的实现奠定良好基础。
关键词:风电场;风机;变桨系统;故障;台风
为了满足日常生活和工作的需求，石油、煤炭及天然气等化石能源被大量开采，但是在开采的同时自然环境也遭到了破坏，环境也被严重地污染。因此，清洁能源得到了全球学者的关注。风能是一种清洁可再生资源，是目前主要的清洁能源之一。近年来，风力发电场的建设得到了迅猛发展，同时以机组运行与维护为主的发电第三产业成为了一个新的增长点。由于风电设备所处的工作环境十分恶劣，导致设备的故障率比较高，进而导致设备运行维护成本居高不下。因此，对风电机组的故障诊断进行分析及研究故障诊断的方法对降低设备故障率及运行维护成本具有重要的意义，同时也能够提高设备运行的安全性。因此，了解风机变桨系统实际运行中的常见故障，对提高风机的设计制造水平，改进制造及安装工艺，并在实际运行中的风机采取针对性的整改措施，对提高风机可利用率具有非常重要的意义;东南沿海每年要经受各种等级的台风侵扰，如何防止台风侵袭时由于变桨系统故障对风场造成灾难性损害，更是迫切需要研究的问题。
一、风电场风机变桨系统的基本概述
简单来讲，变桨系统一般由变桨电机、大齿圈部件、变桨小齿轮以及变桨轴承等组成。风机一旦启动，变桨系统就会开始工作，变桨角度会从顺桨90°位置变动到15°位置，然后逐渐变动到3°左右的位置。如果超过额定功率，变桨角度会在此收到调整以保证实际功率在额定功率的范围内波动。在额定功率下变桨系统需要不断地动作以满足设备的要求，因此变桨系统机械部件的故障率明显偏高。
二、风电场风机变桨系统的常见故障
（一）变频器故障
在当前风力发电场建设规模和数量持续增加的新市场经济常态下，风机变桨系统运行过程中，变频器故障有着极高的发生率，目前来看常见的变频器故障主要有——变频器通讯中断、变频器内IGBT损坏、控制板件损坏以及导线插头虚焊等。变频器?(或变桨驱动器)故障:包括变频器通讯中断?(端子松动，接线接触不良)、变频器内IGBT损坏、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。
（二）?备用电源系统蓄电池故障
据调查在现阶段风机变桨系统故障发生率的占比中，备用电源系统蓄电池故障的发生率是最高的，尤其在风机运行两到三年左右，给企业整体发展造成了极为不利的影响。备用电源系统蓄电池: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，导致的故障率特别多。
（三）?变桨电机故障
就目前来看，在风机变桨系统使用过程中，变桨电机故障的发生率也是极高的，而根据大量调研数据分析可知，造成上述系统故障的因素除了电机本身质量(线圈断线、直流电机碳刷磨损等)外，变频器损坏、蓄电池电压低、限位开关不到位等在导致电机过载的同时，进而引发了变桨电机故障问题的发生。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，但更多的原因是由于变频器损坏、蓄电池电压低、限位开关不到位或不返回、编码器故障等故障导致的电机过载损坏。
（四）?滑环故障在风机变桨系统使用过程中，滑环故障的发生率也相对较高，据调查滑环故障的发生除了由于滑环脏污的因素外，滑环触针跳出也是导致故障问题发生的重要原因。
除此之外经大量调研数据分析可知，滑环故障的发生还导致了变频器通讯故障、蓄电池故障及变频器损坏等系统故障问题，给企业发展造成了极为不利的影响。
（五）角度编码器:大部分的故障均为螺丝松动、数据线接触不良。
（六）滑环:苏司兰风机由于通过滑环连接轮毂和机舱的电源线和通讯线回路数很多，故障率较高。由于滑环脏污导致故障频发，并且导致相关的变频器通讯故障、蓄电池故障及变频器损坏等系列故障，还有部分由于滑环触针跳出导致短路烧坏滑环。
（七）变桨限位开关:目前苏司兰风机限位开关接线回路松动、导线折断故障较多，而湘电风机限位开关不返回、安装位置不精准的故障较多。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。
三、?风机变桨系统故障在台风时造成风场重大事故
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，3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。
四、防止风机变桨系统故障造成台风时风场重大事故
风机变桨系统的可靠性是保证和提高风机抗台能力的核心，因此需要在设计、安装和生产运行中保证变桨系统可靠性。
（一）设计上要加大叶片的变桨电机制动力矩，提高变桨机构的强度等级，使其裕度更大，保证台风期间叶片在极端风速、异常湍流和突变风向的长期作用下，不会出现叶片被吹动、变桨机构损坏的现象。
（二）安装上要保证变桨系统的电气连接部分及机械连接部分的紧固，连接线的绝缘和绑扎良好;选用优质的变桨限位开关，并在安装调试时精确调整限位开关的位置。
（三）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，及时更换有磨损的滑环滑道;定期紧固变桨系统的电气连接及机械连接螺丝，保证连接牢固。
（四）台风来袭时的对策。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，避免在台风时故障停机出现桨叶收不回的情况。
五、?结论
采用电动变桨系统的风机目前变桨系统故障较多，且大多集中在蓄电池、限位开关、滑环及电气连接线的松动问题上。采用高质量的零部件，设计上提高变桨系统主要部件的强度和裕度，生产运行中加强定期维护，大幅度减少风机变桨系统的故障，提高风机的可利用率，提高风机的抗台风能力，是完全能够减少此类事故的发生。简而言之，作为风电场电机控制系统的重要组成部分，风机变桨系统在使用过程中，系统故障的发生对企业和国家整体发展而言是十分不利的，为此不断优化和改进设计、安装及制造工艺，加强定期维护，由此为企业可持续发展目标的实现奠定良好基础。
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