随着全球对清洁能源的需求不断增长,风能作为一种可再生、无污染的能源,在能源领域中占据着越来越重要的地位。风力发电机组是风能发电的核心设备,而变桨距系统作为风力发电机组的重要子系统,其性能和可靠性直接影响着风力发电机组的发电效率和安全性。
变桨距系统的主要功能是通过调整叶片的桨距角,改变叶片对空气动力的捕获能力,从而实现对风力发电机组输出功率的调节。在风力发电机组正常运行时,变桨距系统根据风速的变化实时调整叶片桨距角,使风力发电机组始终保持在最佳功率输出状态;在风力发电机组故障或紧急情况下,变桨距系统可以迅速将叶片桨距角调整到安全位置,以保护风力发电机组的安全。
随着风电行业的不断发展,变桨距系统也在不断更新迭代。技术因素主要包括以下几个方面:技术转变——从液压变桨逐渐向电动变桨转变,降低了成本,提升了控制精度;多驱技术——采用多个驱动装置驱动一个桨叶,优化了执行机构的受力;独立变桨策略——采用独立变桨策略为整机降低载荷,对变桨提出了更高的要求。
随着风力发电机组容量的不断增大,风轮直径越来越大,大功率机组对变桨系统的配套设计提出了更高的要求。由于风轮直径的增大,叶片上的载荷不均衡现象更加明显,这导致了风力发电机组在运行过程中需要更精确和快速的变桨控制来应对复杂的风况。大尺寸风轮会受到湍流、风切变和塔影效应等引起的附加弯矩影响,这些因素会加速风力发电机组的疲劳并缩短其使用寿命。采用独立变桨策略可以有效减少这些附加力矩的影响,但对于变桨系统的功率、寿命、附加系统的选型等都提出了更高的要求,怎样将这些要求量化到变桨系统的设计过程中,是当前行业内普遍需要研究的问题。
海上环境具有高盐分和湿度,海上风力发电机组的变桨系统应采用防腐蚀材料或涂层,以确保耐久性和维护成本的降低。由于海上环境的特殊性,一旦发生故障,维修工作将非常困难且成本高昂。因此,变桨系统需要设计得更为可靠,减少故障率,并易于维护和修理。海上大功率变桨系统的设计中,在确保安全的前提下应包含容错机制,以防单一故障导致整个系统失效,且考虑到海上环境的不便,变桨系统应具备远程监控和故障诊断能力,以减少人员在海上的作业时间。
近年来在整机降本的压力下,各个整机制造商极限压缩成本,变桨系统出现产品趋于同质化,技术创新后劲不足的情况。针对此现象,新修订的国家标准中进一步明确了有关于安全顺桨和载荷相关的要求,新增了防雷测试、电网故障测试、停机刹车功能测试等测试相关内容,力求在成本最优的前提下,对变桨距系统的功能、性能、安全性等提出更明确的要求。强调在满足系统设计要求的基础上进行成本控制,避免为降低成本而牺牲产品的长期可靠性和安全性,同时未能列入修订标准中的技术内容,也可以从补充标准体系,满足行业需求角度提出标准项目,为行业健康发展做出技术铺垫。