風能作為清潔可再生能源的代表之一，在全球能源轉型中扮演著越來越重要的角色。風力發電作為最主要的風能利用方式之一，風電機組的性能和穩定運行直接影響著風電行業的發展。而在風電機組中，變槳系統是其核心組成部分之一，負責調整葉片角度以捕捉更多的風能，是風力發電的重要支撐技術。

定義

風電變槳系統，作為風力發電機組的核心組成部分，主要負責對風力發電機組的風輪葉片的槳距角進行動態調整。其目標在于確保風力發電機組在額定風速以上的功率平衡，以及在極端天氣條件下，通過氣動制動來保障風力發電機組的整體安全。通過變槳控制，系統能夠有效地調節風輪葉片的攻角，以適應不同風速下的工作需求，從而實現風力發電的高效與穩定。

變槳系統主要由PLC、驅動器、后備電源、變槳電機、旋轉變壓器、限位開關等部件構成，電氣信號通過滑環與主控系統相連。系統采用六箱體結構，每個葉片對應一套交流伺服驅動系統和后備電源，分別置于驅動箱和后備電源箱中，驅動箱和后備電源箱共用安裝框架。其余變槳相關器件如低壓配電、防雷系統、直流控制電源等合理分布于三只驅動箱中。

變槳系統示意圖

變槳控制技術簡單來說，就是通過調節槳葉的節距角，改變氣流對槳葉的攻角，進而控制風輪捕獲的氣動轉矩和氣動功率。

變槳機構控制葉片相對于旋轉平面的位置角度。小型風機沒有變槳機構，在高速時必須依靠失速來調節轉速。變槳控制使風機在低風速時即可獲得電能，在風速大于額定風速時截獲到固定大小的風能?？刂茦嘟堑姆椒ú恢挂环N；各種方法都需要對葉片角度進行控制的機制。控制算法持續監測風速和發電機出力，調節葉片的槳距角。當風速高于額定風速時，葉片槳距角大幅增加以改變攻角、誘導失速。

變槳機構在輪轂的前部，在輪轂和葉片的根部，齒輪將二者連接。外側電動機通過齒輪或者帶齒傳動帶對變槳進行操控。外側電動機及變槳系統的其他部分都在輪轂內，并隨之傳動。

隨著風力發電技術的迅速發展，風電機組正從恒速恒頻向變速恒頻、從定槳距向變槳距方向發展。變槳距風電機組以其能最大限度地捕獲風能、輸出功率平穩、機組受力小等優點，已成為當前風電機組的主流機型。

發展歷程

——1970年代初期

現代風力發電技術的先驅們開始研發用于電力生產的風力發電機，最初的設計多采用固定槳葉或簡單調節機制，對風力的利用效率相對較低。

——1980年代

隨著風電技術的成熟，風電機組開始采用更為高級的變槳技術，如失速型和節距控制型葉片設計，這些設計允許風力發電機在不同風速下更有效地運行，提高了能量捕獲效率。

——1990年代

風電行業經歷了快速增長，變槳系統也得到了顯著改進，電動伺服控制的節距調節系統成為大型風力發電機的標準配置，提供了更精確的葉片角度控制，以及更好的負載管理和功率調節能力。

——2000年代初

隨著全球對可再生能源越來越重視，風電裝機容量迅速擴大，變槳系統作為關鍵的技術創新領域之一，持續優化，包括提高系統的可靠性、耐久性和維護的便捷性。

——2010年代

風電變槳系統技術進入高度成熟的階段，智能化、自動化和遠程監控操作開始成為行業標準。先進的材料、傳感器技術和控制算法的應用進一步提高了系統的性能，同時還降低了成本。

——至今

風電變槳系統繼續向更高的智能化和優化性能方向發展，例如通過采用機器學習和數據分析技術預測維護需求，以及通過集成更多的傳感器實現實時監控和故障診斷。

（資料圖：陽光風能）

原理

風力發電機組的調漿控制是根據風速來確定槳葉的角度的（全葉面調漿），通過改變槳葉的角度來改變功率因數。通過改變槳葉的角度，槳葉轉子的轉速和功率將受到影響。如果通過槳葉，對風機的受力過大，經過調整后，可以減少過大的受力。風機的轉速和槳葉的扭曲程度可以通過電信號反饋給控制系統，這樣使得每個槳葉的角度獨自的調整。

槳葉調漿旋轉角度在0到90°之間。在槳葉位于做功位置時槳葉最大的面積幾乎是朝著風向的，著風面積最大。當利用槳葉剎車時，槳葉的前端是是朝著風向的，著風面積最小。三個槳葉當中的每一個都是通過直流電機和一個齒輪箱來驅動的?？刂破黩寗与姍C，從而使齒輪箱轉動，帶動調漿軸承，使槳葉的角度改變。

調槳系統也可以用來在風機處于緊急情況下實現煞車作用。在電動能源——蓄電池的作用下槳葉可以從工作角度轉動至剎車角度。

電動調槳系統的動作速度快而且準確。在正常工作情況下如果風機遭遇強陣風，調漿系統可以迅速地調整槳葉工作角度，使風機工作在額定值范圍內。

優點及功能

優點

變槳距控制，隨著風速的變化調節槳葉節距角，穩定發電機的輸出功率。 在并網過程中，變槳距控制還可實現快速無沖擊并網，而緊急關機時,變槳距機構調節槳葉節距角為90°，使槳葉逆槳，風輪轉速降低，減小對風力機負載沖擊，提高系統壽命。

變槳距控制系統與變速恒頻技術相配合，最終提高了整個風力發電系統的發電效率和電能質量。變槳距控制研究對變速恒頻風力機組的研制有著重要的意義。

功能

在不同風速條件下，變槳系統能夠實時調整每個葉片的角度，以實現以下功能：

（1）功率控制：當風速增加時，減小葉片迎風角度，限制風電機組輸出功率在額定范圍內，防止因過大的機械應力和電能輸出對發電機及電網造成沖擊；相反，在風速較低時，增大葉片迎風角度，優化捕獲風能效率，提高發電量。

（2）轉速控制：通過改變葉片的有效受風面積，間接控制風輪轉速，使得風電機組能在各種風況下穩定運行，并維持恒定的發電機轉速（變速恒頻技術）。

（3）安全停機與制動：在緊急停機或者故障情況下，迅速將葉片調整到順槳位置（即葉片與風向平行），利用空氣動力學原理實現制動，使風電機組安全停止轉動。

（4）防止過載保護：在極端風況下，變槳系統可以快速響應，調整葉片角度避免風電機組受到過大載荷，從而保護設備免受損害。

（資料圖：盤古智能 液壓變槳液壓站）

作用

風電機組變槳系統是用于調整風機葉片角度的關鍵設備。其主要作用如下：

風向調節：變槳系統能夠使風機葉片根據風向的變化自動調整角度，始終朝向風的方向，最大程度地捕捉風能，提高風電機組的發電效率。

風速調節：隨著風速的變化，變槳系統可以調整葉片角度，使風機葉片在不同風速下運行在最佳工作狀態，保持風電機組的穩定輸出。

轉矩控制：通過調整葉片角度，變槳系統可以控制葉片對風的阻力，實現對風機轉矩的控制，保證風機在不同風速下安全運行。

機構分類

變槳距控制方式一般可以分為兩種，一種是電機執行機構，另一種是液壓執行機構。 

電機執行機構

電機變槳距執行機構利用電動機對槳葉進行單獨控制，由于其機構緊湊，可靠，沒有象液壓變槳距機構那樣傳動結構相對復雜，存在非線性，泄漏、卡澀時有發生，所以也得到許多生產廠家的青睞。但其動態特性相對較差,有較大的慣性，特別是對于大功率風力機。而且電機本身如果連續頻繁地調節槳葉，將產生過量的熱負荷使電機損壞。

液壓執行機構

液壓執行機構通過液壓系統推動槳葉轉動，改變槳葉節距角。該機構以其響應頻率快、扭矩大、便于集中布置和集成化等優點在目前的變槳距機構中占有主要的地位，特別適合于大型風力機的場合。國外著名的風力機廠丹麥的Vestas、德國的Dewind、Repower等等都采用液壓變槳距方式，目前美國研制最大的容量的風力機也采用液壓執行機構。

（資料圖：陽光風能）

分類

風電變槳系統通常包括電動變槳和液壓變槳兩種主要類型。

液壓變槳距系統

液壓變槳距系統采用液壓缸作為原動機，通過一套曲柄滑動結構同步驅動三個槳葉變槳距。變槳距機構主要由推動桿、支撐桿、導套、防轉裝置、同步盤、短轉軸、連桿、長轉軸、偏心盤、槳葉、法蘭等部件組成。變槳控制系統根據當前風速算出槳葉的槳距角調節信號，液壓系統根據指令驅動液壓缸，液壓缸帶動推動桿、同步盤運動，同步盤通過短轉軸、連桿、長轉軸推動偏心盤轉動，偏心盤帶動槳葉進行變槳距。

液壓變槳距執行機構的槳葉通過機械連桿機構與液壓缸相連接，槳距角同液壓缸位移成正比。當槳距角減小時，液壓缸活塞桿向右移動，有桿腔進油；當槳距角增大時，活塞桿向左移動，無桿腔進油。液壓系統的槳距控制是通過電液比例閥實現的，電液比例閥的控制電壓與液壓缸的位移變化量成正比，利用油缸設置的位移傳感器，利用PID調節進行液壓缸位置閉環控制。為提高順槳速度，變槳距執行系統不僅引入差動回路，還利用蓄能器為系統保壓。當系統出現故障斷電緊急關機時，立即斷開電源，液壓泵緊急關閉，由蓄能器提供油壓使槳葉順槳。

電動變槳距系統

電動變槳距系統由變槳控制器、伺服驅動器和備用電源系統組成。其能夠實現3個槳葉獨立變槳距，給風力發電機組提供功率輸出和足夠的剎車制動能力，從而避免過載對風機的破壞。

電動變槳距系統的每個槳葉配有獨立的執行機構，伺服電機連接減速箱，通過主動齒輪與槳葉輪齒內齒圈相連，帶動槳葉進行轉動，實現對槳距角的直接控制。

如果電動變槳距系統出現故障，控制電源斷電，伺服電機由備用電源系統供電，15s內將槳葉緊急調節為順槳位置。在備用電源電量耗盡時，繼電器節點斷開，原來由電磁力吸合的制動齒輪彈出，制動槳葉，保持槳葉處于順槳位置。在輪轂內齒圈邊上還裝有一個接近開關，起限位作用。在風力機正常工作時，繼電器上電，電磁鐵吸合制動齒輪，不起制動作用，使槳葉能夠正常轉動。

（資料圖：匯川技術官網）

變槳系統在風力發電機組中的意義

在風力發電機組中，變槳系統是非常重要的一部分，其作用主要有以下幾個方面：

1. 提高發電效率

風力發電機組的發電效率與葉片的調整角度有直接關系，如果葉片的角度調節不夠合理，風力發電機組就難以達到最佳的發電效率。通過變槳系統的自動調節，能夠讓葉片始終處于最佳的角度，從而提高風力發電的效率。

2. 保護風力發電機組

當風速超過額定值時，葉片的旋轉速度就會超過額定值，可能損壞機器。而通過變槳系統的自動調節，可以保證旋轉速度不會超過額定值，從而保護風力發電機組的安全運行。

3. 降低運營成本

風力發電機組的運營成本與設備的維護保養費用有關，如果機器受損需要經常進行維護，那么就會增加運營成本。而通過變槳系統的自動調節，可以降低機器的損壞率，減少維護費用。

4. 增強機器的適應性

風力發電機組在自然環境下受到很多干擾，如天氣、風速等因素都會影響機器的運行效率。而通過變槳系統的自動調節，可以讓葉片在不同的環境中始終處于最佳工作狀態，提高機器的適應性。

變槳系統典型故障與維修

一、液壓變槳系統典型故障與維修

１、典型故障分析

液壓站減壓故障與檢修：液壓變槳系統是間歇工作系統，當風電機組處于運行狀態時，槳葉角度根據風電機組控制策略需要不斷進行調整。以滿足控制風電機組功率的需求。這需要液壓站頻繁進行建壓操作。液壓泵和液壓馬達啟停次數較多，會造成相應的控制電氣元件故障多發。

液壓控制閥塊故障與檢修：在由各種液壓元件組成的液壓控制回路系統中，比例閥是其中最重要的組件，液壓變槳中控制系統的槳距控制是主要通過比例閥來實現的。風電機組長周期運行后，比例閥故障概率增高比例閥故障后，風電機組無法正常變槳。此故障需檢修人員進行比例閥檢修或更換，特別是要分析損壞原因如果比例閥閥芯損壞由液壓油污染引起，則需要先進行液壓油處理。

液壓油泄露與檢修：液壓油外泄漏主要是由于液壓缸，閥塊密封失效，接頭處緊固松動或液壓油管老化造成。大量油液泄漏不但會引起風電機組報“液壓油位低”停機，還可能造成風電機組內外部污染，對環境造成影響。此類故障需檢修人員檢查泄漏部位，進行更換密封圈，緊固接觸部位等處理后再進行補油。

２、液壓變槳系統維護

根據液壓變槳系統特點及運行維護經驗，在正常進行風電機組定期維護項目的基礎上，應有針對性地開展液壓變槳系統易損部件檢查、增加油液品質化驗頻次、定期更換老化密封件等維護項目。

將變將系統易損件檢查列入風電機組定檢：對于在運行過程中發現的易損電氣件，如液壓 馬達接觸器和液壓閥等，如不在原定檢查測試范圍內，應修改定檢項目，將其列入檢查范圍，如在定檢中發現易損件品質下降嚴重，可提前進行更換，避免定檢后短期內出現故障。

控制液壓油污染：適當降低油品試驗周期長周期運行后，風電機組液壓油潔凈度會出現不同程度的下降，液壓油污染會影響系統的正常工作，降低系統中液壓部件的使用壽命。除按期進行液壓系統空氣濾和油濾的更換外，還要定期清理油箱 管道及元件內部的污物，及時更換磨損嚴重閥塊。運行三年及以上的風電機組，必要進將液壓油試驗周期由一年調整為半年，便于及時發現油品劣化趨勢進行處理。

二、電動變槳系統典型故障分析與維修

１、典型故障分析

變槳電氣回路系統故障與檢修：變槳電氣回路系統常見故障為變頻器損壞、電機發熱、功率不足、接線松動、卡槳等。需要檢修人員根據故障報警內容進行故障點判斷和處理。如出現卡槳且無明顯故障點則可手動進行多次變槳。直到恢復正常為止，多次出現上述現象則應考慮加大變槳電機功率或加強變槳軸承潤滑。

變槳電滑環故障與檢修：作為機艙和輪轂電氣連接的部件，變槳電滑環地位非常重要。變 槳系統通訊故障或變槳系統供電故障將觸發風電機組安全鏈動作。緊急停機、變槳滑環故障多 由于接線松動或滑環內部接觸不良引起。檢修時需進行相應的檢測。必要時對滑環進行重新清洗，滑道磨損嚴重時應進行更換。

后備電池故障與檢修：風電機組用后備電池主要有免維護鉛酸蓄電池和超級電容兩種，其 中超級電池具有較長的使用壽命，但造價相對較高由于輪轂內運行環境惡劣，長時間運行后，使用蓄電池作為后備電源的風電機組經常出現蓄電池故障告警風電機組停機。檢修人員可通過程序或人工對蓄電池進行檢測，確定電池故障是由于接線松動還是本身品質下降，相應地進行處理。  

2、電動變槳系統維護

由于風電機組運行中輪轂處不斷旋轉狀態，離心力和在重力方向的不斷改變使電動變槳系 統各部件均承受了脈動的載荷，加之溫度變化，運行工況相對較差。加強變槳系統部件檢查和 定期維護，可以有效減少變槳系統的故障發生率。

加強變槳傳動系統潤滑：除按半年周期進行系統變槳軸承、變槳電機、減速機的潤滑外，如風電機組發生卡槳，電機發熱等缺陷確認為變槳轉動荷載增加原因時，應對整個系統重新進行一次潤滑維護。

電滑環系統維護應嚴格按廠家推薦方法進行：在實際工作中，由于滑環系統拆卸和維護相 對復雜，部分檢修人員在進行滑環定檢工作時，存在潤滑過度或裝配環節不能保證滑環內的清 潔度問題給后期運行留下隱患。

定期進行后備電池檢測：除風電機組主控程序對風電機組后備電池進行檢測外，建議在定檢時用手持式檢測儀對電池進行全檢，及時發現內阻增加，容量下降的電池，進行處理或更換，有條件的企業可以安裝電池在線檢測裝置，實現全天候狀態檢測，當發現全部電池均存在劣化情況時，應全部進行更換部分廠家推薦每三年進行一次更換。

行業發展前景預測

風電變槳系統行業作為風力發電產業鏈中的核心技術領域，其發展前景在諸多有利因素的驅動下呈現出積極向上的態勢。全球范圍內對可再生能源的重視度持續提升，各國政府紛紛制定嚴格的碳排放目標和清潔能源發展戰略。在此背景下，風電作為一種成熟且經濟高效的可再生能源形式，裝機規模預計將持續擴大。而變槳系統作為優化風電機組運行效率、確保安全穩定的關鍵部件，市場需求將隨風電產業整體擴張而增長。

技術進步與創新是推動風電變槳系統行業發展的重要引擎。隨著大容量、智能化海上風電項目的發展，對變槳系統的性能要求日益提高，包括輕量化設計、高效能控制、遠程監控及故障診斷等功能的研發將成為未來趨勢。此外，新材料的應用、先進制造工藝的推廣以及數字孿生、人工智能等先進技術的融入，都將助力變槳系統實現更優的技術指標和更低的運維成本?？紤]到風電平價上網時代對降低成本的緊迫需求，以及能源結構轉型帶來的長期市場潛力，風電變槳系統行業有望通過規?；a、標準化建設以及服務體系完善等途徑不斷提升競爭力。同時，海外市場拓展也為我國風電變槳系統制造商提供了廣闊的增長空間?？偟膩砜?，未來風電變槳系統行業在面臨挑戰的同時，也伴隨著巨大的發展機遇，有望在全球綠色低碳轉型的大潮中扮演更加重要的角色，并逐步成長為更具活力和競爭力的高科技產業板塊。

代表企業

陽光風能

陽光電源股份有限公司是一家專注于太陽能、風能、儲能、氫能、電動汽車等新能源電源設備的研發、生產、銷售和服務的國家重點高新技術企業。主要產品有光伏逆變器、風電變流器、儲能系統、水面光伏系統、新能源汽車驅動系統、充電設備、可再生能源制氫系統、智慧能源運維服務等，并致力于提供全球一流的清潔能源全生命周期解決方案。

2022年，陽光風能重磅推出全新業務板塊——風電變槳產品，設計出SPD100-45/55、SPD101-45/55、SPD102-65這三款變槳驅動器，兼具安全可靠、靈活智能和高度集成的優點，全方位提升了整個風力發電系統的發電效率和電能質量，為全球海上、陸地風力發電創造了更多精彩和可能。

（資料圖：陽光風能風電變槳產品）

上海電氣電力電子公司

上海電氣電力電子有限公司屬于上海電氣輸配電集團控股企業，成立于2007年4月，致力于與新能源有關的電氣控制系統和電力電子技術相關的電業產品的設計、生產、銷售和服務，擁有新技術產品和強大的研發能力，采取引進先進技術和自主研發相結合的方式，完全符合和滿足我國當前在風電、電力電子等領域國家科技發展支撐計劃的要求。

（資料圖：上海電氣電力電子有限公司變槳系統）

匯川技術

深圳市匯川技術股份有限公司（簡稱“匯川技術”）創立于2003年，聚焦工業領域的自動化、數字化、智能化，專注于工業自動化控制產品的研發、生產和銷售，定位服務于高端設備制造商，持續致力于以領先技術推進工業文明，快速為客戶提供更智能、更精準、更前沿的綜合產品及解決方案，是國內工業自動化控制領域的佼佼者和上市企業。匯川變槳驅動器內置豐富接口和功能，滿足不同客戶應用需求。采用全金屬殼體，有良好的抗振動、抗沖擊及EMC性能。易用的HMI 軟件，可輕松實現在線仿真和監控；人體工程學提手、支持SD卡下載操作系統和應用程序、故障錄波（黑匣子）、后備電源中間電壓檢測、后備電源在線健康狀態檢測等功能，便于安裝、接線、調試和運維。匯川技術變槳驅動器適應于新裝機和改造后市場，首批樣機已經在風場連續安全無故障運行超過5年。

（資料圖：匯川技術集成單驅動變槳系統解決方案）

盤古智能

青島盤古智能制造股份有限公司創建于2012年，是一家專業從事集中潤滑系統、液壓系統及核心部件的研發、制造與銷售為一體的股份制企業，產品廣泛應用于風力發電、工程機械、軌道交通、礦山設備、隧道掘進設備、農業機械、港口機械等領域。

風電液壓變槳產品包括：液壓變槳液壓站、活塞式蓄能器、葉片鎖油缸、輪轂鎖油缸、變槳閥組、液壓油缸。

（資料圖：變槳閥組）

納泉能源科技

中國納泉能源科技控股有限公司專注于新能源電力產業的綜合服務，于2020年10月20日在香港聯交所主板上市。集團圍繞儲能及風電變槳控制系統兩大核心產業，已在中國的華北、華東及華南等地區建立了成熟的業務網絡，輻射全球新能源業務。

其子公司弘遠新能源是中國的風電及變槳控制系統解決方案供應商。主要從事風機高壓變槳控制系統的研發、整合、制造及銷售。我們亦提供變槳控制系統主要組件定制整合服務。

變槳系統產品特點：

★ 高壓集成、結構緊湊、體積小、重量輕

★ 測試認證完備，電網適應性強

★ 系統響應速度快、穩態精度高

★ 故障報警和記錄功能完善，易于調試維護

（資料圖：納泉弘遠）

來源綜合自：百度百科、百度文庫、風電電氣設計、智研瞻產業研究院、 電氣小課堂