1、变桨系统主要元件故障原因及分析AC2 和 NG5 故障原因及分析姓 名：董 参 参专 业：电力系统自动化入职时间：2010-7-1部 门：技术服务中心北 京 天 源 科 创 风 电 技 术 有 限 责 任 公 司 BEIJING TIANYUAN CREATION WINDPOWER TECHNOLOGY CO.,LTD 1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
2、析 .7（一）变桨逆变器 OK 信号丢失故障分析 .71、变桨逆变器 OK 信号形成及检测过程 .72、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 .91、NG5 充电器损坏原因 .102、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，总北 京 天 源 科 创 风 电 技 术 有 限 责 任 公 司 BEIJING TIANYUAN CREATION WINDPOWER TECHNOLOGY CO.,LTD 2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
3、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
4、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。北 京 天 源 科 创 风 电 技 术 有 限 责 任 公 司 BEIJING TIANYUAN CREATION WINDPOWER TECHNOLOGY CO.,LTD 3二、主要元器件的介绍（一）变
5、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
6、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 NG5NG5 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。北 京 天 源 科 创 风 电 技 术 有
7、限 责 任 公 司 BEIJING TIANYUAN CREATION WINDPOWER TECHNOLOGY CO.,LTD 4输入E M I滤波开 关变 换UVWC P U控 制 系 统D C 6 0 V容 性 负 载控制系统电源输入三相整流D C - D C功率输出高频滤波输出二级滤波G N D F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
8、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
9、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 充北 京 天 源 科 创 风 电 技 术 有 限 责
10、任 公 司 BEIJING TIANYUAN CREATION WINDPOWER TECHNOLOGY CO.,LTD 5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 5
11、00F。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。北 京 天 源 科 创 风 电 技 术 有 限 责 任 公
12、司 BEIJING TIANYUAN CREATION WINDPOWER TECHNOLOGY CO.,LTD 6三、控制原理（一）变桨原理框图贝 福 模 块开关电源N G 52 4 V 电 源模 块 - 1A 1 0 自 制模 块变 桨 电 机Q 1P t 1 0 0电机刹车旋 转 编 码 器9 0度限位开关8 7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UVWP r o f i b u s D P变桨电机温度0度接近开关变 桨 命 令状 态 信 号2 4 V 电 源模 块 - 2超级电容电 源电 磁 刹 车 电 源内 外 安全 链
13、 信息 交 换变 桨逆 变器A C 2自动/手动转换向0度变桨向9 0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
14、给变桨控制系统和逆变器 AC2 供北 京 天 源 科 创 风 电 技 术 有 限 责 任 公 司 BEIJING TIANYUAN CREATION WINDPOWER TECHNOLOGY CO.,LTD 7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
15、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
16、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
17、 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。北 京 天 源 科 创 风 电 技 术 有 限 责 任 公 司 BEIJING TIANYUAN CREATION WINDPOWER TECHNOLOGY CO.,LTD 8U14N25R1047R111M+24 VKL1104x4a:7x4a:8一 P CL TXD一一 NCL TXD一x4b:7 一一一一A3A4图 4-1 AC2_OK 信号检测流程2、变桨逆变器 OK 信号丢
18、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
19、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
20、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。北 京 天 源 科 创 风 电 技 术 有 限 责 任 公 司 BEIJING TIANYUAN CREATION WINDPOWER TECHNOLOGY CO.,LTD 9变频器与电机的电
21、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
22、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
