金风1.5机组变桨系统分析

变桨系统主要元件故障原因及分析——AC2和NG5故障原因及分析
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专业：电力系统自动化
入职时间：2010-7-1
部门：技术服务中心
目录
目录 (1)
摘要 (2)
一、变桨系统的作用 (2)
（一）功率调节 (2)
（二）气动刹车 (2)
二、主要元器件的介绍 (3)
（一）变桨逆变器AC2 (3)
（二）充电器NG5 (3)
（三）其他元器件 (5)
三、控制原理 (6)
（一）变桨原理框图 (6)
（二）变桨原理介绍 (6)
四、典型故障分析 (7)
（一）变桨逆变器OK信号丢失故障分析 (7)
1、变桨逆变器OK信号形成及检测过程 (7)
2、变桨逆变器OK信号丢失原因 (8)
（二）充电器NG5损坏原因分析及整改建议 (9)
1、NG5充电器损坏原因 (10)
2、整改意见 (11)
五、结束语 (15)
参考文献： (16)
摘要
本文通过对变桨系统的重要元器件的原理和变桨控制原理进行了简单的介绍，总结了充电器NG5和逆变器AC2发生故障的原因和解决方法，并且提出本人在现场进行维护工作时发现的一些缺陷和整改意见。

关键词：变桨系统逆变器AC2 充电器NG5 浪涌保护
一、变桨系统的作用
（一）功率调节
变桨距控制是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法，变桨目的是通过控制桨距角，调节叶轮吸收风能的功率。

在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能的捕捉较多的风能，桨距角设定值设定在能够吸收最大功率的最优值，所以这时机组运行没有必要改变将距角，一般桨距角设定为零度附近，以便让叶轮尽可能多的吸收风能，此时空气动力载荷通常比在额定风速之上时小。

额定风速以上阶段变速控制器和变桨控制器共同作用，通过变速控制器即控制发电机的扭矩使其恒定，从而恒定功率；通过变桨调节发电机转速，使其始终跟踪发电机转速的设定值。

（二）气动刹车
金风1500kW风力发电机组变桨系统是目前该系统唯一的停车机制，通过将桨叶迅速顺至停机位置来完成气动刹车。

主控的所有停机指令，包括普通停机，快速停机和紧急停机，最后都是通过总线发给变桨系统来执行。

机组的安全链的最后输出也是给变桨，任意一个安全链节点断开后，安全链系统送给变桨系统的高电平都会丢失，变桨系统会根据内部程序立即执行紧急停机。

二、主要元器件的介绍
（一）变桨逆变器AC2
变桨逆变器AC2是意大利萨牌控制器 ZAPI AC-2 FZ5197-INV逆变器，是当今世界上最先进的逆变器之一。

额定电压为48V，最大电流450A，实际使用时由60V的直流电源超级电容供电，工作频率为8kHz，输出电压为3相29V，频率为0.6到56HZ。

外观如图2-1所示
图2-1 变桨逆变器AC2
逆变器共有6个外部接口，我们使用了端口A、D、E、F的相关管脚，主控制器通过模拟/数字信号来控制驱动器动作和接收驱动器的反馈状态，两者之间并没有任何通讯协议。

这样的控制方式不但满足了逆变器在变桨系统中的协调工作，而且控制方式、控制结构和电路接线简单，方便安装维护和变桨控制，抗干扰能力强。

（二）充电器NG5
NG5充电器将三相交流400V经过NG5充电电源整流输出60V，80A，给超级电容和变桨逆变器AC2提供电源。

充电器主要由输入滤波、DC-DC变换、输出高频整流滤波、二级滤波、以及CPU控制电路组成。

其中输入整流滤波器对于电磁兼容有很大的作用，有效地抑制了来自交流电网的传导干扰，DC-DC高频交换机使整机的效率大大提高。

高频整流滤波与二级滤波共同作用使电源的输出纹波极小。

CPU控制系统用于控制各种负载变换情况下的稳定输出。

工作原理框图如图2-2所示。

输入EMI 滤波开关
变换U
V
W CPU 控制系统
DC60V 容性负载控
制
系
统
电
源输入三相整流DC-DC 功率输出高频滤波输出二级滤波··
···GNDF
图2-2 NG5工作原理框图
达坂城三四期项目有两类NG5，一种是意大利产的充电器，型号为Zivan Battery Charger NG5，一种是北京嘉昌机电设备制造有限公司产的充电器，型号为JF-CHARGER-60V-80A-VEN-J 。

除次之外还有个别其它品牌国产充电器，由于数量较少，这里就不叙述了。

Zivan Battery Charger NG5工作的投入与切出完全取决于超级电容的电压，控制器检测到超级电容电压低于55V ，就投入运行开始充电，电容电压达到60V 就断开。

最近下发的工作任务书将超级电容电压提高到低于58V 就开始充电。

现在作为备件和更换的都是北京嘉昌的JF-CHARGER-60V-80A-VEN-J 充电器，与Zivan Battery Charger NG5的运行方式不同，国产NG5是一直运行，作为60V 的恒压源使用。

当超级电容得电压低于60V 时就立即充电，所以超级电容一直保持60V 的电压。

变桨时，NG5和超级电容同时为逆变器供电，超级电容做峰值补偿，同时也做后备电源。

这样就减少了NG5的开关次数，同时也减少冲击次数，增加了NG5的使用寿命。

当然该供电方式也有敝处，当超级电容运行时间长或者因为质量问题发生容量降低后，由于充电器NG5一直输出60V 的电压并联在超级电容的两端，并且超级电容高电压的信号检测线也是并联在超级电容的两端，变桨控制器检测到的超级电容高电压信号其实就NG5的输出电压，所以影响了超级电容高电压信号的真实性。

NG5的外观如图2-3所示，左图为北京嘉昌生产的JF-CHARGER-60V-80A-VEN-J充电器，右图为意大利产的Zivan Battery Charger NG5充电器。

图2-3 充电器NG5
（三）其他元器件
1、主控制器贝福模块，主控制器由总线控制器BK3150、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块和SSI传感器检测模块组成，具有独立控制能力，并且负责向上位机PLC发送相关状态信息及运行参数，并且接收上位机PLC发送的各种指令。

2、变桨备电超级电容，超级电容由四组超级电容能量模块串联组成，每组能量模块的额定电压为16.2V，容值为500F。

超级电容总的电容值为125F。

3、A10自制模块，通过电阻分压原理，将超级电容高低电压60V和30V的电压转换为KL3404允许输入的范围。

4、接近开关，利用铁性物质影响高频振荡电涡流的原理制作的电子开关。

5、24V电源模块，稳压模块，把60V的电压转换成稳定的24V给控制回路提供电源。

6、PT100温度传感器，铂的电阻值和温度具有良好的线性关系，该元件就是利用导体铂（pt）的电阻值随温度的变化而变化的特性来测量温度的元器件。

7、除此之外还有绝对式旋转编码器、各种辅助保护继电器等，这里就不一一叙述。

三、控制原理
（一）变桨原理框图
贝福模块
开关电源 NG5
24V电源
模块-1
A10自制
模块
变桨电机
Q1Pt100
电
机
刹
车
旋转编码器
90
度
限
位
开
关
87
度
接
近
开
关
状态信息超级电容
高低电压
信号
控制
电源
温
度
信
号
叶
片
桨
距
角
电机
转速
反馈
U
V
W
Profibus
DP
变
桨
电
机
温
度
度
接
近
开
关
变桨命令
状态信号
24V电源
模块-2
超
级
电
容
电源电磁刹车电源内外安全链信息交换
变桨
逆变
器
AC2
自
动/手动转换
向
度
变
桨
向
90
度
变
桨
图3-1 变桨原理框图
（二）变桨原理介绍
三相交流400V经过NG5充电电源，整流输出60V，80A，给超级电容充电，NG5的投入与切出完全取决于超级电容的电压，超级电容的高低电压经过A10自制模块处理后送给贝福模块KL3404。

主控器计算出超级电容的高低电压，只要检测到超级电容高电压低于55V（58V），就以80A恒流输出；只要电容电压达到60V就断开。

充电器和超级电容构成一个闭环的自动控制电路，始终保持超级电容有60V的电压，同时当来自滑环的
电网电压掉电时，超级电容作为备用电源直接给变桨控制系统和逆变器AC2供电，保证变桨电控系统正常工作，执行停机动作。

超级电容的输出直接接入变桨变频器AC2和DC/DC24V电源模块，AC2变频器根据控制器的指令输出三相29V，频率为0.6到56Hz的交流电到电枢绕组中，驱动变桨电机以不同的转速和转向旋转，通过变桨减速器拉动齿形带带动变桨盘使叶片向不同方向转动，达到变桨的目的。

控制器通过变桨电机内的绝对式旋转编码器实时检测叶片的角度，并且旋转编码器还将叶片变桨的方向和速度实时反馈给变桨逆变器AC2，AC2根据控制器发送的变桨指令和反馈的实时数据进行变桨的自我调节。

变桨控制系统中BC3150作为智能从站使用，每个变桨柜内的分布式I/O通过PROFIBUS DP总线，向上位机PLC发送相关状态信息及运行参数，并且接收上位机PLC 发送的各种指令，包括各种停机指令。

考虑到变桨系统出现故障时，可能无法从主控制器接受停机指令，或者停机信号，所以BC3150内部有控制程序，变桨系统出现故障，并且无法接收上位机PLC发送的停机指令时，还能自主控制变桨系统进行顺桨停机。

四、典型故障分析
（一）变桨逆变器OK信号丢失故障分析
在金风1500kW风力发电机组变桨系统的故障中，“变桨逆变器OK信号丢失”故障的出现较为频繁，这里就对该故障出现的原因进行简单分析。

1、变桨逆变器OK信号形成及检测过程
变桨逆变器AC2本身具有强大的自我诊断功能，它的微控制器实时监视AC2的工
作情况。

看门狗电路，输出输入电流、电压、内部接触器驱动、逆变器温度、变桨电
机温度、can_bus、启动过程报警、旋编故障等外部或者内部信号有任何异常时，AC2
的微控制器就会报出逆变器OK信号丢失。

变桨逆变器OK信号以规律的脉冲从变桨逆变器AC2的A3（PCL TXD）和A4（NCL TXD）端口，引线到A10的x4a:7、x4a:8两个端口，输入A10上光电耦合器，以光电
隔离的方式，将结果输入到A2模块 KL1104的1号端口（如图4-1所示），端口指示
灯会有规律的闪烁，最后传递给BC3150。

U1R1047
R11
1M +24V KL1104x4a:7x4a:8（PCL T XD ）
（NCL T XD ）x4b:7一号通道A3A4
图4-1 AC2_OK 信号检测流程
2、变桨逆变器OK 信号丢失原因
机组如果报变桨逆变器OK 信号丢失故障，叶片死在报故障时的位置，连接该机组就地监控可以发现对应的信号灯在闪烁。

但是由于通讯延迟等原因，在就地监控上看到的闪烁频率与变桨柜内A2模块KL1104一号通道的状态灯闪烁频率不一致，必须进机组现场检查。

进入轮毂后不要断开Q1，否则故障有可能在断电上电重启后暂时消失，导致无法通过状态灯闪烁频率判断故障点，所以需要先观察A2模块KL1104 一号通道的状态灯的闪烁频率，对应闪烁频率，查找AC2故障说明，可以找出相应的故障点。

（1）闪烁频率为1时，表明AC2检测到逻辑故障。

如超级电容电压发生突变，看门狗复位，EEPROM ，等都能触发该类故障的发生。

超级电容损坏或者质量问题，可能会发生电压跳变，导致报出此故障，此时必须要更换超级电容。

在充电器损坏时，并联的超级电容正负极的充电器输出端可能出现瞬间短路，导致逆变器检测到超级电容电压突变，也报出此故障，同时也报出超级电容高电压故障，更换NG5后此故障也排除。

除了上述两种情况，一般该类故障发生时，正常的断电复位后可以解决此问题。

（2）闪烁频率为2时，表明AC2接收到不正确的启动命令，或者正反相的速度同时给定。

不正确的启动顺序，制动开关未打开，以及同时正反向进行速度给定，都容易导致该故障的发生。

该故障的发生率是最高的。

输入接口E1接线端子是设定AC2变桨速度的，只能接收0-10V 的模拟电压信号，如果主控制器的KL4001损坏，输出信号超出AC2的输入范围，导致AC2接收到不正确的启动命令，就会报此故障。

此时更换KL4001模块既可。

变桨时，主控制器给AC2一个变桨电机的旋转速度和方向的信号，同时，变桨电机会通过旋转编码器反馈变桨电机旋转方向的信号给AC2，如果旋转编码器损坏，反馈信号出现差错也会报此故障。

这时需要更换旋转编码器。

变频器与电机的电缆由于绝缘磨损短路，或者电机内部短路，电机过载出现电机卡死等也会报此故障。

首先通过就地监控面板观察变桨电机的温度和变桨时的速度，如果温度过高或者变桨速度比另外两个变桨速度慢，就必须登机进入轮毂，就地仔细检查连接电缆，并且手动变桨测试电机好坏，在变桨时仔细听变桨电机和叶片轴承是否有异常声音，如果变桨电机出现问题需更换变桨电机。

（3）闪烁频率为3时，相电压充电失败。

可能是电机与变频器连接虚接，连接不可靠，或连接电缆断裂，或者电机内部开路。

需要更换连接电缆和检查变桨电机。

（4）闪烁频率为4时，加速度故障。

（5）闪烁频率为5时，表明AC2内部电压电流检测环节发生故障。

重启AC2任然报此故障需更换AC2变频器。

（6）闪烁频率为6时，AC2内部接触器驱动故障。

重启AC2任然报此故障需更换AC2变频器。

（7）闪烁频率为7时，AC2变频器内部检测到过温故障。

（8）闪烁频率为8时，CAN-BUS总线故障。

达坂城现在运行的变桨系统没有使用AC2的CAN-BUS总线。

故障灯一直亮，超级电容电压低。

未出现该故障时，主控已近报超级电容高电压故障，更换充电器后，故障自动消失。

（二）充电器NG5损坏原因分析及整改建议
天风达坂城运行的金风1500kW风力发电机组变桨系统的故障中，充电器NG5是变桨系统中更换是最为频繁的元器件。

充电器NG5损坏后不能为变桨备电超级电容充电，变桨充电器工作正常的反馈信号丢失，系统报变桨充电器反馈丢失故障，机组执行紧急停机。

有时充电器的OK信号并不会丢失，随着变桨控制系统不断消耗备电，超级电容的电压不断下降，当系统检测到超级电容的电压低于55V（58V）5秒后，会报出超级电容高电压故障，机组执行正常停机。

严重时由于NG5损坏造成输入到NG5内部的400V 短路，机舱电源回路的断路器跳闸，机舱电源回路断路器反馈丢失，系统报机舱熔断器反馈丢失，机组执行快速停机。

自入职来有四个月了，天风达坂城项目三期、四期就更换了十几个，不但增加维护
费用，还给现场工作人员增加了大量工作。

为找到根本原因，我这里对NG5损坏的原因进行了分析。

1、NG5充电器损坏原因
（1）电源质量的影响
NG5充电器是将三相交流400V整流滤波、DC-DC变换后输出60V，80A，所以输入电源的质量对NG5寿命有很大影响。

NG5的额定电压为三相400V，允许在±％20的范围内波动，并且有缺相保护。

但是风机的电网环境比较复杂，瞬间电压高，缺相，更严重的是还要承受浪涌冲击，由此看来机组电网环境对NG5的输入保护是很大的考验。

2010年8月22日达坂城三期6#报1#变桨柜超级电容高电压故障，现场人员检查发现网侧滤波电容鼓包，拆下后测量两组电容没有容量；进入轮毂打开1#变桨柜后NG5红色故障指示灯正亮，有元器件的焦糊味，测量NG5输入正常且无输出，判断NG5损坏。

更换新的NG5后机组恢复正常。

仔细检查损坏后的NG5发现有三个电子元件烧毁，如图4-2所示。

图4-2 烧毁的电子元件
图4-2左图为功率型NTC热敏电阻，作用是抑制浪涌冲击，吸收浪涌冲击的能量，保护回路上的电子设备免遭破坏。

右图为场效应管。

都被炸毁，由此分析NG5是被机组浪涌冲击损坏的。

机组控制电源回路受到浪涌电流的干扰，由于机组网侧滤波大电容1C1、小电容1C2.1损坏和浪涌保护模块2F4没有将该浪涌冲击的干扰完全吸收掉，浪涌冲击进入NG5，首先将内部保护元件炸毁，再将回路上的场效应管击穿、炸毁，有时平波电容也会发生炸毁，造成NG5损坏。

（2）工作环境的影响
NG5安装在变桨柜内，空间狭窄，柜体散热窗口小，有时还发生柜体散热窗堵塞现象，达坂城夏天最高气温达三十度，对NG5的散热是很大的考验；变桨柜异物卡住散热扇；投切频繁等等，都会对NG5正常运行造成影响。

2010年8月28日四期14#检修，检修时工作人员对变桨柜进行了检查，发现变桨柜内旋编清零接地线从端子排脱落，由于轮毂旋转该线进入NG5散热窗卡在散热扇扇叶上，严重影响了NG5的散热。

（3）质量原因
所有的元器件都存在质量问题，NG5也不例外，尤其是国产NG5质量问题出现更为频繁。

2010年10月2日下午三期2#机组报1#变桨高电压故障，现场人员检查发现为国产NG5，更换时间不长。

表现为NG5的故障指示灯亮，没有烧糊气味，检查机组滤波电容完好，仔细检查NG5后发现其电源输出电缆有松动脱焊现象，所以判断该NG5为质量问题造成的损坏。

2、整改意见
针对上述NG5损坏的原因，我提出下面几点整改意见：
（1）机组主要负责滤波的为网侧滤波电容1C1和1C2.1，电容1C1为68uF，电容1C2.1已将原来的9uF改造为现在的10uF，但是该滤波电容组还是经常损坏。

我建议更换在允许范围内容量更大，耐压值更高的滤波电容，以便吸收更大的浪涌冲击能量，提高滤波电容的寿命和机组控制电源的质量。

（2）除了滤波电容之外，机组还有浪涌保护模块2F4，主要是吸收机组发生浪涌冲击时的能量。

浪涌保护模块2F4的参数为：最大连续交流工作电压为440V，额定冲击电流限制电压2.2kV，额定放电电流20kA，最大放电电流40kA，品牌为菲尼克斯。

由于条件有限，现场没有设备检测机组发生浪涌冲击时的电压和电流，但是根据浪涌保护模块的参数可以看出该浪涌保护模块的耐压值和放电电流都非常大，但是在发生浪涌冲击时该保护模块竟然会发生炸毁，如图4-3所示。

很多机组故障发生时，该保护模块和机组控制电源回路上1F8的50A保险和2Q3的40A保险，以及电压互感器会同时烧毁，所以我判断机组发生浪涌冲击时，瞬间电压和
电流都超过了浪涌保护模块2F4的额定冲击电压2.2kV和最大放电电流40kA。

该浪涌保护模块的损坏率比较高，机组发生浪涌冲击不能为机组提供可靠的保护，我建议将2F4更换为比现在安装的额定冲击电压和最大放电电流更大的浪涌保护模块。

图4-3炸毁的浪涌保护模块
通过现场备件更换记录，我发现天风达坂城四期滤波电容组1C1和1C21，浪涌保护模块2F4，50A保险和40A保险的更换频率与三期大致相同，就个别机组而言四期要比三期损坏严重，也就是说四期机组发生浪涌冲击的次数与三期大致相同，并且浪涌冲击能量更大，损坏更严重，但是四期NG5损坏率却远远小于三期。

通过在平时的维护和消缺过程中，我发现四期机舱电源回路上安装有浪涌保护模块-101F3，如图4-4所示。

图4-4四期机舱电源回路安装有浪涌保护模块
但是三期机舱电源回路上并没有没有安装电路图上的浪涌保护收模块-101F3，如图4-5和4-6所示。

图4-5三期机舱电源回路没有浪涌保护模块
图4-6 机舱400V电源回路
当机组发生浪涌冲击时，由于浪涌冲击能量很大，滤波器滤波电容1C1和1C2.1和浪涌保护模块2F4并不能将全部冲击能力吸收，或者由于上述设备损坏，不能抑制浪涌冲击，浪涌冲击能量会进入机舱电源回路，但是机舱并没有设备抑制冲击电流或者电压。

一次两次的浪涌冲击也许不会直接导致充电器NG5的损坏，但是会造成NG5内部保护元
件的损坏等，构成了内部隐患。

NG5长期运行或者再次发生浪涌冲击时就会直接损坏。

根据以上分析，我认为三期频繁出现NG5损坏和没有安装机舱电源回路浪涌保护模块有直接关系。

我建议天风达坂城三期项目在机舱电源回路中增加浪涌保护收模块，以便在机组发生浪涌冲击时吸收冲击能量，提高变桨柜电源的质量，保护NG5等机舱电器设备。

（2）巡检工作到位，平时的消缺、巡检、检修等，只要有机会就检查变桨柜，充电器NG5，网侧滤波器和浪涌保护模块等，把隐患消除在萌芽状态。

（3）严格把守货源质量，选择一流品牌产品为货源，提高备件的可靠性和稳定性。

五、结束语
首先感谢公司给我一个展示自己的平台，再次感谢项目经理李祺，员工海黎斌、刘志强等在我入职后对我的耐心指导，最后感谢项目各位成员对我的关心和支持。

自入职以来已有四个月的时间了，我认识到变桨系统作为风力发电机组核心系统，也是机组故障率最高的系统，它很大程度上决定了机组是否能够平稳运行，维护好变桨系统是我们工作的重中之重。

根据这段时间对机组维护所得的一点知识，总结出上述机组变桨系统的一点经验。

由于本人知识水平有限，对兆瓦风机学习时间短，还有很多知识我未能涉及到，文章中难免有不足之处，在以后的时间里我将继续努力学习风机知识，不断总结工作经验，进一步填补不足之处，努力提高自己的维护水平，为风机的维护工作尽自己的一份力量。

参考文献：
1、《金风1500kw系列风力发电机运行维护手册》北京天源科创风电技术有限责任公司，2009.2
2、《1500KW风力发电机组电控系统电气接线图》2008.3
3、《JF-CHARGER-60V-80A-VEN-J充电器》用户手册
4、《故障解释手册》。