金风15机组变桨系统分析.docx

变桨系统主要元件故障原因及分析一AC2和NG5故障原因及分析专 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0K信号丢失故障分析 71、 变桨逆变器0K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所示输入EMI滤波输入 三相 整流DC-DC 功率开关变换控制系统电源输出高频滤波输出二级滤波DC60V11容性负载GNDF1——CPU———控制系统图2-2 NG5工作原理框图达坂城三四期项目有两类NG5, —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 —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125F3、 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（p t）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O度接近开关nu88度接近开关nu恥度限位开关安信换外链交内全息ProfibusDPA温度信号向O度变桨向99度变桨自动/手动转贝福模块出变桨电一机温腹.叶片桨距角--1■6 馈 反令号命倚桨态变状勺0卄控制电源八、超级电容高低电压!旋转编码器:I IWV变桨逆变器AC224V电源模块-224V电源模块-1A10自制模块超级电容£卓J r状态信息开关电源NG5电磁刹车电源图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0K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BC3150A3（PCL 曙A4（NCL TXD）x4a:7 ■x4a:8 ■R1047U1 1 1 1Mx4b:7 图牛JaC2_OK信号检测流程一号通道— •_+24V2、变桨逆变器0K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 —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。