金風1.5機組變槳系統(tǒng)課案

1、變槳系統(tǒng)主要元件故障原因及分析AC2和NG5故障原因及分析姓 名：董 參 參專 業(yè)：電力系統(tǒng)自動化 入職時間： 2010-7-1部 門：技術服務中心北京天源科創(chuàng)風 電技術有限責任公司 BEIJING TIANYUAN CREATION WINDPOWER TECHNOLOGY CO.,LTD目 錄目錄1摘要2一、變槳系統(tǒng)的作用2（一）功率調節(jié)2（二）氣動剎車2二、主要元器件的介紹 3（一）變槳逆變器 AC23（二）充電器NG53（三）其他元器件5三、控制原理6（一）變槳原理框圖 6（二）變槳原理介紹6四、典型故障分析7（一）變槳逆變器0K信號丟失故障分析 71、變槳逆變器0K信號形成及檢測過程

2、72、變槳逆變器OK信號丟失原因 8（二）充電器NG5損壞原因分析及整改建議91、NG5充電器損壞原因 102、整改意見11五、結束語15參考文獻： 16摘要本文通過對變槳系統(tǒng)的重要元器件的原理和變槳控制原理進行了簡單的介紹，總結了充電器NG5和逆變器AC2發(fā)生故障的原因和解決方法，并且提出本人在現場進行維護 工作時發(fā)現的一些缺陷和整改意見。關鍵詞：變槳系統(tǒng)逆變器AC2 充電器NG5 浪涌保護一、變槳系統(tǒng)的作用（一）功率調節(jié)變槳距控制是最常見的控制風力發(fā)電機組吸收風能的方法，變槳目的是通過控制槳距角，調節(jié)葉輪吸收風能的功率。在額定風速以下時，風力發(fā)電機組應該盡可能的捕捉 較多的風能，槳距角設定

3、值設定在能夠吸收最大功率的最優(yōu)值，所以這時機組運行沒有 必要改變將距角，一般槳距角設定為零度附近，以便讓葉輪盡可能多的吸收風能，此時 空氣動力載荷通常比在額定風速之上時小。額定風速以上階段變速控制器和變槳控制器共同作用，通過變速控制器即控制發(fā)電 機的扭矩使其恒定，從而恒定功率；通過變槳調節(jié)發(fā)電機轉速，使其始終跟蹤發(fā)電機轉 速的設定值。（二）氣動剎車金風1500kW風力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)是目前該系統(tǒng)唯一的停車機制，通過將槳葉迅 速順至停機位置來完成氣動剎車。主控的所有停機指令，包括普通停機，快速停機和緊 急停機，最后都是通過總線發(fā)給變槳系統(tǒng)來執(zhí)行。機組的安全鏈的最后輸出也是給變槳, 任意一個安全鏈

4、節(jié)點斷開后，安全鏈系統(tǒng)送給變槳系統(tǒng)的高電平都會丟失，變槳系統(tǒng)會 根據內部程序立即執(zhí)行緊急停機。、主要元器件的介紹（一）變槳逆變器AC2變槳逆變器AC2是意大利薩牌控制器ZAPI AC-2 FZ5197-INV逆變器，是當今世界 上最先進的逆變器之一。額定電壓為 48V,最大電流450A,實際使用時由60V的直流電 源超級電容供電，工作頻率為8kHz,輸出電壓為3相29V,頻率為0.6到56HZ外觀如 圖2-1所示圖2-1變槳逆變器AC2逆變器共有6個外部接口，我們使用了端口 A、D E、F的相關管腳，主控制器通 過模擬/數字信號來控制驅動器動作和接收驅動器的反饋狀態(tài)，兩者之間并沒有任何通 訊協(xié)

5、議。這樣的控制方式不但滿足了逆變器在變槳系統(tǒng)中的協(xié)調工作，而且控制方式、 控制結構和電路接線簡單，方便安裝維護和變槳控制，抗干擾能力強。（二）充電器NG5NG5充電器將三相交流400V經過NG5充電電源整流輸出60V, 80A,給超級電容和 變槳逆變器AC2提供電源。充電器主要由輸入濾波、DC-DC變換、輸出高頻整流濾波、二級濾波、以及CPU控制電路組成。其中輸入整流濾波器對于電磁兼容有很大的作用， 有效地抑制了來自交流電網的傳導干擾，DC-DC高頻交換機使整機的效率大大提高。高頻整流濾波與二級濾波共同作用使電源的輸出紋波極小。CPU控制系統(tǒng)用于控制各種負載變換情況下的穩(wěn)定輸出。工作原理框圖如

6、圖 2-2所示。圖2-2 NG5工作原理框圖達坂城三四期項目有兩類 NG5 種是意大利產的充電器，型號為 Zivan Battery Charger NG5, 種是北京嘉昌機電設備制造有限公司產的充電器，型號為 JF-CHARGER-60V-80A-VEN- J除次之外還有個別其它品牌國產充電器，由于數量較少， 這里就不敘述了。Ziva n Battery Charger NG5 工作的投入與切出完全取決于超級電容的電壓，控制 器檢測到超級電容電壓低于 55V,就投入運行開始充電，電容電壓達到 60V就斷開。最 近下發(fā)的工作任務書將超級電容電壓提高到低于58V就開始充電。現在作為備件和更換的都

7、是北京嘉昌的JF-CHARGER-60V-80A-VEN-充電器，與Zivan Battery Charger NG5 的運行方式不同，國產 NG5是一直運行，作為60V的恒壓 源使用。當超級電容得電壓低于60V時就立即充電，所以超級電容一直保持60V的電壓。 變槳時，NG5和超級電容同時為逆變器供電，超級電容做峰值補償，同時也做后備電源。 這樣就減少了 NG5的開關次數，同時也減少沖擊次數，增加了 NG5的使用壽命。當然該 供電方式也有敝處，當超級電容運行時間長或者因為質量問題發(fā)生容量降低后，由于充 電器NG5直輸出60V的電壓并聯(lián)在超級電容的兩端，并且超級電容高電壓的信號檢測 線也是并聯(lián)在

8、超級電容的兩端，變槳控制器檢測到的超級電容高電壓信號其實就NG5的輸出電壓，所以影響了超級電容高電壓信號的真實性。NG5勺外觀如圖2-3所示，左圖為北京嘉昌生產的 JF-CHARGER-60V-80A-VEN充電 器，右圖為意大利產的 Ziva n Battery Charger NG5 充電器。圖2-3充電器NG5（三）其他元器件1主控制器貝福模塊，主控制器由總線控制器BK3150數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊和SSI傳感器檢測模塊組成，具有獨立控制能力，并且負責向上位機 PLC發(fā)送相關狀態(tài)信息及運行參數，并且接收上位機PLC發(fā)送的各種指令。2、變槳備電超級電容，超級電容由四組超級電

9、容能量模塊串聯(lián)組成，每組能量模塊的額定電壓為16.2V，容值為500F。超級電容總的電容值為125F。3、 A10自制模塊，通過電阻分壓原理，將超級電容高低電壓60V和30V的電壓轉換 為KL3404允許輸入的范圍。4、接近開關，利用鐵性物質影響高頻振蕩電渦流的原理制作的電子開關。5、24V電源模塊，穩(wěn)壓模塊，把60V的電壓轉換成穩(wěn)定的24V給控制回路提供電源。6、PT100溫度傳感器，鉑的電阻值和溫度具有良好的線性關系， 該元件就是利用導 體鉑（pt）的電阻值隨溫度的變化而變化的特性來測量溫度的元器件。7、除此之外還有絕對式旋轉編碼器、各種輔助保護繼電器等，這里就不一一敘述。三、控制原理（一

10、）變槳原理框圖自動/手動轉換Pt1OO一一厶 Profibus溫度信號內全息O度接近開關 町度接近開關n-§9度限位開關貝福模塊狀態(tài)信息高低電壓A10自制模塊信號控制電源24V電源模塊-1開關電源NG5I crL工£容24V電源模塊-2Q1電源電磁剎車電源變槳逆變器AC2圖3-1變槳原理框圖（二）變槳原理介紹三相交流400V經過NG5充電電源，整流輸出60V, 80A,給超級電容充電，NG5勺 投入與切出完全取決于超級電容的電壓，超級電容的高低電壓經過 A10自制模塊處理后送給貝福模塊KL3404主控器計算出超級電容的高低電壓，只要檢測到超級電容高電壓 低于55V （58V

11、），就以80A恒流輸出；只要電容電壓達到 60V就斷開。充電器和超級電 容構成一個閉環(huán)的自動控制電路，始終保持超級電容有60V的電壓，同時當來自滑環(huán)的電網電壓掉電時，超級電容作為備用電源直接給變槳控制系統(tǒng)和逆變器AC2供電，保證變槳電控系統(tǒng)正常工作，執(zhí)行停機動作。超級電容的輸出直接接入變槳變頻器 AC2和 DC/DC24V!源模塊，AC2變頻器根據控 制器的指令輸出三相29V,頻率為0.6到56Hz的交流電到電樞繞組中，驅動變槳電機以 不同的轉速和轉向旋轉，通過變槳減速器拉動齒形帶帶動變槳盤使葉片向不同方向轉 動，達到變槳的目的?？刂破魍ㄟ^變槳電機內的絕對式旋轉編碼器實時檢測葉片的角度， 并且

12、旋轉編碼器還將葉片變槳的方向和速度實時反饋給變槳逆變器AC2 AC2根據控制器發(fā)送的變槳指令和反饋的實時數據進行變槳的自我調節(jié)。變槳控制系統(tǒng)中 BC3150作為智能從站使用，每個變槳柜內的分布式I/O通過PROFIBUS D總線，向上位機PLC發(fā)送相關狀態(tài)信息及運行參數，并且接收上位機PLC發(fā)送的各種指令，包括各種停機指令。考慮到變槳系統(tǒng)出現故障時，可能無法從主控制 器接受停機指令，或者停機信號，所以BC315 0內部有控制程序，變槳系統(tǒng)出現故障，并且無法接收上位機PLC發(fā)送的停機指令時，還能自主控制變槳系統(tǒng)進行順槳停機。四、典型故障分析（一）變槳逆變器OK信號丟失故障分析在金風1500kW風

13、力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)的故障中，“變槳逆變器OK信號丟失”故障 的出現較為頻繁，這里就對該故障出現的原因進行簡單分析。1、變槳逆變器OK信號形成及檢測過程變槳逆變器AC2本身具有強大的自我診斷功能，它的微控制器實時監(jiān)視AC2的工作情況。看門狗電路，輸出輸入電流、電壓、內部接觸器驅動、逆變器溫度、變槳電 機溫度、can_bus、啟動過程報警、旋編故障等外部或者內部信號有任何異常時，AC2的微控制器就會報出逆變器 OK 信號丟失。變槳逆變器OK信號以規(guī)律的脈沖從變槳逆變器 AC2的A3（ PCL TXD和A4（ NCL TXD端口，引線到A10的x4a:7、x4a:8兩個端口，輸入A10上光電耦合器，

14、以光電 隔離的方式，將結果輸入到 A2模塊KL1104的1號端口（如圖4-1所示），端口指示 燈會有規(guī)律的閃爍，最后傳遞給 BC31508北京天源科創(chuàng)風 電技術有限責任公司 BEIJING TIANYUAN CREATION WINDPOWER TECHNOLOGY CO.,LTDA3(PCL TXD )A4 (NCL TXD )x4a:8U1R101M47KL1104x4b:7 一號通道+24/圖4-4AC2_OK信號檢測流程2、變槳逆變器0K信號丟失原因機組如果報變槳逆變器 0K信號丟失故障，葉片死在報故障時的位置，連接該機組 就地監(jiān)控可以發(fā)現對應的信號燈在閃爍。但是由于通訊延遲等原因，在

15、就地監(jiān)控上看到 的閃爍頻率與變槳柜內A2模塊KL1104一號通道的狀態(tài)燈閃爍頻率不一致， 必須進機組 現場檢查。進入輪轂后不要斷開Q1,否則故障有可能在斷電上電重啟后暫時消失，導致 無法通過狀態(tài)燈閃爍頻率判斷故障點，所以需要先觀察A2模塊KL1104 一號通道的狀態(tài) 燈的閃爍頻率，對應閃爍頻率，查找 AC2故障說明，可以找出相應的故障點。（1）閃爍頻率為1時，表明AC2檢測到邏輯故障。如超級電容電壓發(fā)生突變，看 門狗復位，EEPRO,M等都能觸發(fā)該類故障的發(fā)生。超級電容損壞或者質量問題，可能會發(fā)生電壓跳變，導致報出此故障，此時必須要 更換超級電容。在充電器損壞時，并聯(lián)的超級電容正負極的充電器輸

16、出端可能出現瞬間 短路，導致逆變器檢測到超級電容電壓突變，也報出此故障，同時也報出超級電容高電 壓故障，更換NG5后此故障也排除。除了上述兩種情況，一般該類故障發(fā)生時，正常的斷電復位后可以解決此問題。（2）閃爍頻率為2時，表明AC2接收到不正確的啟動命令，或者正反相的速度同 時給定。不正確的啟動順序，制動開關未打開，以及同時正反向進行速度給定，都容易 導致該故障的發(fā)生。該故障的發(fā)生率是最高的。輸入接口 E1接線端子是設定AC2變槳速度的，只能接收0-10V的模擬電壓信號， 如果主控制器的KL4001損壞，輸出信號超出AC2的輸入范圍，導致AC2接收到不正確 的啟動命令，就會報此故障。此時更換

17、KL4001模塊既可。變槳時，主控制器給AC2個變槳電機的旋轉速度和方向的信號，同時，變槳電機 會通過旋轉編碼器反饋變槳電機旋轉方向的信號給AC2如果旋轉編碼器損壞，反饋信號出現差錯也會報此故障。這時需要更換旋轉編碼器。變頻器與電機的電纜由于絕緣磨損短路，或者電機內部短路，電機過載出現電機卡 死等也會報此故障。首先通過就地監(jiān)控面板觀察變槳電機的溫度和變槳時的速度，如果 溫度過高或者變槳速度比另外兩個變槳速度慢，就必須登機進入輪轂，就地仔細檢查連 接電纜，并且手動變槳測試電機好壞，在變槳時仔細聽變槳電機和葉片軸承是否有異常 聲音，如果變槳電機出現問題需更換變槳電機。（3）閃爍頻率為3時，相電壓充

18、電失敗?？赡苁请姍C與變頻器連接虛接，連接不 可靠，或連接電纜斷裂，或者電機內部開路。需要更換連接電纜和檢查變槳電機。（4）閃爍頻率為4時，加速度故障。（5）閃爍頻率為5時，表明AC2內部電壓電流檢測環(huán)節(jié)發(fā)生故障。重啟 AC2任然 報此故障需更換AC2變頻器。（6）閃爍頻率為6時，AC2內部接觸器驅動故障。重啟 AC2任然報此故障需更換 AC2變頻器。（7）閃爍頻率為7時，AC2變頻器內部檢測到過溫故障。（8）閃爍頻率為8時，CAN-BUS總線故障。達坂城現在運行的變槳系統(tǒng)沒有使用AC2的 CAN-BUS、線。故障燈一直亮，超級電容電壓低。未出現該故障時，主控已近報超級電容高電壓故 障，更換充電

19、器后，故障自動消失。（二）充電器NG5損壞原因分析及整改建議天風達坂城運行的金風1500kW風力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)的故障中，充電器 NG5是變 槳系統(tǒng)中更換是最為頻繁的元器件。充電器 NG5損壞后不能為變槳備電超級電容充電， 變槳充電器工作正常的反饋信號丟失，系統(tǒng)報變槳充電器反饋丟失故障，機組執(zhí)行緊急 停機。有時充電器的0K信號并不會丟失，隨著變槳控制系統(tǒng)不斷消耗備電，超級電容 的電壓不斷下降，當系統(tǒng)檢測到超級電容的電壓低于55V（58V） 5秒后，會報出超級電容高電壓故障，機組執(zhí)行正常停機。嚴重時由于 NG5損壞造成輸入到NG5內部的400V 短路，機艙電源回路的斷路器跳閘，機艙電源回路斷路器

20、反饋丟失，系統(tǒng)報機艙熔斷器 反饋丟失，機組執(zhí)行快速停機。自入職來有四個月了，天風達坂城項目三期、四期就更換了十幾個，不但增加維護費用，還給現場工作人員增加了大量工作。為找到根本原因，我這里對NG5損壞的原因進行了分析。1、NG5充電器損壞原因（1）電源質量的影響NG5充電器是將三相交流400V整流濾波、DC-DC變換后輸出60V, 80A，所以輸入 電源的質量對NG5壽命有很大影響。NG5的額定電壓為三相400V，允許在±% 20的范 圍內波動，并且有缺相保護。但是風機的電網環(huán)境比較復雜，瞬間電壓高，缺相，更嚴 重的是還要承受浪涌沖擊，由此看來機組電網環(huán)境對NG5的輸入保護是很大的考

21、驗。2010年8月22日達坂城三期6#報1#變槳柜超級電容高電壓故障，現場人員檢查 發(fā)現網側濾波電容鼓包，拆下后測量兩組電容沒有容量；進入輪轂打開1#變槳柜后NG5 紅色故障指示燈正亮，有元器件的焦糊味，測量NG5輸入正常且無輸出，判斷 NG5損壞。更換新的NG5后機組恢復正常。仔細檢查損壞后的NG5發(fā)現有三個電子元件燒毀，如圖 4-2所示。圖4-2燒毀的電子元件圖4-2左圖為功率型NTC熱敏電阻，作用是抑制浪涌沖擊，吸收浪涌沖擊的能量，保護 回路上的電子設備免遭破壞。右圖為場效應管。都被炸毀，由此分析NG5是被機組浪涌 沖擊損壞的。機組控制電源回路受到浪涌電流的干擾，由于機組網側濾波大電容1

22、C1、小電容1C2.1損壞和浪涌保護模塊2F4沒有將該浪涌沖擊的干擾完全吸收掉， 浪涌沖擊 進入NG5,首先將內部保護元件炸毀，再將回路上的場效應管擊穿、炸毀，有時平波電 容也會發(fā)生炸毀，造成NG5損壞。（2）工作環(huán)境的影響NG5安裝在變槳柜內，空間狹窄，柜體散熱窗口小，有時還發(fā)生柜體散熱窗堵塞現 象，達坂城夏天最高氣溫達三十度，對NG5的散熱是很大的考驗；變槳柜異物卡住散熱 扇；投切頻繁等等，都會對 NG5正常運行造成影響。2010年8月28日四期14#檢修，檢修時工作人員對變槳柜進行了檢查，發(fā)現變槳 柜內旋編清零接地線從端子排脫落，由于輪轂旋轉該線進入NG5散熱窗卡在散熱扇扇葉 上，嚴重影

23、響了 NG5的散熱。（3）質量原因所有的元器件都存在質量問題，NG5也不例外，尤其是國產 NG5質量問題出現更 為頻繁。2010年10月2日下午三期2#機組報1#變槳高電壓故障，現場人員檢查發(fā)現 為國產NG5,更換時間不長。表現為 NG5的故障指示燈亮，沒有燒糊氣味，檢查機組 濾波電容完好，仔細檢查NG5后發(fā)現其電源輸出電纜有松動脫焊現象， 所以判斷該NG5 為質量問題造成的損壞。2、整改意見針對上述NG5損壞的原因，我提出下面幾點整改意見：（1）機組主要負責濾波的為網側濾波電容 1C1和1C2.1，電容1C1為68uF,電容 1C2.1已將原來的9uF改造為現在的10uF，但是該濾波電容組還

24、是經常損壞。我建議更 換在允許范圍內容量更大，耐壓值更高的濾波電容，以便吸收更大的浪涌沖擊能量，提高濾波電容的壽命和機組控制電源的質量。（2）除了濾波電容之外，機組還有浪涌保護模塊2F4,主要是吸收機組發(fā)生浪涌沖 擊時的能量。浪涌保護模塊2F4的參數為：最大連續(xù)交流工作電壓為440V,額定沖擊電 流限制電壓2.2kV，額定放電電流20kA,最大放電電流40kA,品牌為菲尼克斯。由于條 件有限，現場沒有設備檢測機組發(fā)生浪涌沖擊時的電壓和電流，但是根據浪涌保護模塊的參數可以看出該浪涌保護模塊的耐壓值和放電電流都非常大，但是在發(fā)生浪涌沖擊時該保護模塊竟然會發(fā)生炸毀，如圖 4-3所示。很多機組故障發(fā)生

25、時，該保護模塊和機組控制電源回路上 1F8的50A保險和2Q3的 40A保險，以及電壓互感器會同時燒毀，所以我判斷機組發(fā)生浪涌沖擊時，瞬間電壓和電流都超過了浪涌保護模塊2F4的額定沖擊電壓2.2kV和最大放電電流40kA。該浪涌保 護模塊的損壞率比較高，機組發(fā)生浪涌沖擊不能為機組提供可靠的保護，我建議將 2F4 更換為比現在安裝的額定沖擊電壓和最大放電電流更大的浪涌保護模塊。圖4-3炸毀的浪涌保護模塊通過現場備件更換記錄，我發(fā)現天風達坂城四期濾波電容組 1C1和1C21,浪涌保護 模塊2F4, 50A保險和40A保險的更換頻率與三期大致相同，就個別機組而言四期要比 三期損壞嚴重，也就是說四期機組發(fā)生浪涌沖擊的次數與三期大致相同，并且浪涌沖擊 能量更大，損壞更嚴重，但是四期 NG5損壞率卻遠遠小于三期。通過在平時的維護和消缺過程中，我發(fā)現四期機艙電源回路上安裝有浪涌保護模塊-101F3，如圖4-4所示圖4-4四期機艙電源回路安裝有浪涌保護模塊但是三期機艙電源回路上并沒有沒有安裝電路圖上的浪涌保護收模塊-101F3，如圖4-5和4-6所示。圖4-5三期機艙電源回路沒有浪涌保護模塊丄u浪涌保 護模塊卄鼻皿跆制一 *圖4-6機艙400V電源回路g嚴喚a1= M當機組發(fā)生浪