华能某风光电站风力发电机组变桨系统的构成、作用及故障分析，主控器

【摘　要】　风机变桨控制系统是风力发电机组控制系统的重要组成部分，对机组安全、稳定、高效地运行有着十分重要的作用。当风向、风速发生变化时，主控通过滑环给出一系列变桨所需电压、数据（桨叶位置、安全链、各路电源、24V运行信号等）传输进入变桨控制柜。PLC按程序运作输出各路信号电压作用于变桨驱动器驱动电机，带动变桨轴承转动从而改变叶片对风的迎风角度，使叶片保持最佳的迎风状态，达到控制叶片的升力。最终作用在整机，使得输出的扭矩和功率更加稳定。本文就风电场风电机组变桨系统的构成、作用及故障进行分析。

【关键词】　风电机组　变桨系统　构成　作用　故障分析

1. 风光电站概况及风电机组变桨系统的构成

1.1 光伏电站概况

华能某风光电站位于内蒙古自治区呼和浩特市武川县西乌兰不浪境内，规划风电容量400MW,已投产风机发电容量247.5MW，安装了某品牌77B、82B型1500kW双馈异步风力发电机各66台，安装了另一品牌82型1500kW双馈异步发电机33台，其中66台77B型风力发电机采用由苏州能建电气有限公司生产的七柜式变桨系统。

1.2 变桨系统的构成

77B型风电机组七柜式变桨系统的硬件组成包括一个主控制柜、三个轴控柜、三个蓄电池柜、三套B编码器组件（含码盘、底座）、三套安全行程开关组件、三台变桨直流电机（含A编码器）、三台变桨齿轮箱、各箱体之间及电机控制连接线束、接地线及箱体固定螺栓。七柜式变桨系统各硬件具体结构如图所示：

（1）变桨控制柜

（2）变桨轴控柜

（3）变桨电池柜

（4）变桨电机

（5）B编码器及限位行程开关

1.3 变桨系统的工作原理及控制特点

风电机组变桨系统的工作原理概括为当风向、风速发生变化时，主控通过滑环给出一系列变桨所需电压、数据（桨叶位置、安全链、各路电源、24V运行信号等）传输进入变桨控制柜。PLC按程序运作输出各路信号电压作用于变桨驱动器驱动电机，带动变桨轴承转动从而改变叶片对风的迎风角度，使叶片保持最佳的迎风状态，达到控制叶片的升力。最终作用在整机，使得输出的扭矩和功率更加稳定。控制原理图如下：

风电机组变桨系统的控制特点主要有安全链及EFC（EmergencyFeather Command）紧急顺桨、低电压穿越LVRT及温度控制。

1.3.1 安全链及EFC（EmergencyFeather Command）紧急顺桨

风机安全链信号是机舱主控PLC发送给轮毂变桨系统一个机舱状态OK安全信号，变桨系统安全链串入三个轴柜内电机伺服驱动器的状态OK安全信号后反馈回机舱主控PLC，风机才能正常运行。当有故障发生时，安全链断开，进入紧急模式。

1.3.2 低电压穿越LVRT

当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落范围内，风电机组能够不间断并网运行，变桨系统切换为后备蓄电池供电一段时间，一定时间后若故障仍未排除，变桨系统进入紧急模式，变桨系统顺桨到安全位置。这种控制策略能使变桨系统实现低电压穿越功能，维护电网安全稳定运行。

1.3.3 温度控制

风电机组根据在风光电站运行的低温环境，变桨系统的主控柜、轴柜、电池柜、电机内均设置有测温元器件和电加热器。加热主要分为两种情况：一是风机启动时，测温元件检测变桨系统柜内温度，若是低于设定温度，为了保护柜内的控制元器件，则令开关电源的输入回路断开，并开始加热直到柜内温度上升到允许的温度，开关电源才工作输出24V控制电源。二是在风机运行过程中，柜内温度降低至设定温度，加热器加热。柜内温度影响蓄电池的使用寿命，蓄电池最佳运行环境温度为20°-25°，当温度过高或过低会影响电池的充放电过程，降低电池利用率。所以保持电池柜内的温度很重要。

2. 风电机组变桨系统的作用

风电机组变桨系统的主要做用为实时调整叶片桨角使风机的主轴转速，始终精准的控制在整机设定风速范围以内的一个理想恒定转速。当整机采集到各系统故障信息时，根据故障的级别，判定需执行安全链断开保护时，变桨迅速利用控桨的独立后备电源，执行快速顺桨运转及时将桨叶转回到风暴位置（安全位置）。当遇到主电网瞬时失压或电压跌落在一定范围内的情况下，能实现低电压穿越平稳过渡、输出稳定持续3S。通过实时变桨，衰减风转交互作用引起的整机震动，将风机上的机械载荷实现到最小化。

2.1 变桨主控柜的作用

变桨主控柜内主要有PLC模块、充电器、开关电源、滑环线接口等。滑环接线从机舱过来连接变桨系统，接口在主控柜上。主控柜起的作用就是将400V电源和24V电源分成三部分，分别接到三个轴柜上。当系统检测到电池电压低时，主控柜内充电器会自动循环向三个电池柜充电。主控柜内的PLC模块通过profibus-DP线与机舱滑环连接通讯，接收主控发送过来的控制指令，同时收集轮毂的运行状态和维持变桨系统本身运行所需的条件，并向机舱主控反馈轮毂的运行状态。当变桨主控接收到控制指令，变桨PLC通过通讯向轴柜内变桨电机驱动器发送运行指令，达到调节桨叶节距地目的。

2.2 变桨轴控柜的作用

轴控柜内核心元器件是电机驱动器。电机驱动器主要分为三个部分和其他器件连接工作，一是主回路，二是控制回路，三是通讯连接。主回路进线有两路，一路是电机驱动器将由变桨主控柜引进的400V交流电源整流成230V直流电源，给直流电机供电;另一路是由电池柜引进的电池直流电当做后备电源，在紧急情况下使用备用电源。控制回路主要是电机驱动器与限位开关、编码器、PT100、电压监控模块等连接，将轮毂的状态采集起来，使变桨系统在允许的条件下运行。通讯连接是指电机驱动器与变桨PLC、其他轴柜的驱动器通过CAN-BUS通讯串联。

2.3 电池柜的作用

电池柜的作用是当变桨系统主电源发生故障时，电池柜作为后备电源对变桨电机供电，使桨叶紧急回收至安全位置，保证整个风机的安全性和可靠性。每个电池柜由18节阀控式铅酸蓄电池串联而成，每节蓄电池标称为12V7.2AH。正常情况可向轴柜提供18X12=216VDC的直流电源。风机在运行过程中，铅酸蓄电池可能受到包括使用环境、温度、充\放电次数、循环次数等许多不确定因素的影响，最终导致电池失效。因此，我们需要在使用过程中需要对铅酸蓄电池进行定期维护。

3. 77B型风机变桨系统故障分析

3.1 变桨常见故障原因及处理方法

3.1.1变桨角度的差异

报错：叶片1变桨角度有差异

叶片2变桨角度有差异

叶片3变桨角度有差异

原因：变桨电机上的旋转编码器（A编码器）得到的叶片角度将与叶片角度计数器（B编码器）得到的叶片角度作对比，两者不能相差太大，相差太大将报错。

处理方法：1.由于B编码器是机械凸轮结构，与叶片的变桨齿轮啮合，精度不高且会不断磨损，在有大晃动时有可能产生较大偏差，因此先复位，排除故障的偶然因素；2.如果反复报这个故障，进轮毂检查A、B编码器，检查的步骤是先看编码器接线与插头，若插头松动，拧紧后可以手动变桨观察编码器数值的变化是否一致，若有数值不变或无规律变化，检查线是否有断线的情况。编码器接线机械强度相对低，在轮毂旋转时，在离心力的作用下，有可能与插针松脱，或者线芯在半断半合的状态，这时虽然可复位，但转速一高，松动达到一定程度信号就失去了，因此可用手摇动线和插头，若发现在晃动中显示数值在跳变，可拔下插头用万用表测通断，有不通的和时通时断的，要处理，可重做插针或接线，如不好处理直接更换新线。排除这两点说明编码器本体可能损坏，更换即可。由于B编码器的凸轮结构脆弱，多次发生凸轮打碎，因此对凸轮也应做检查。

3.1.2 叶片没有到达限位开关动作设定值

原因：叶片设定在91°触发限位开关，若触发时角度与91°有一定偏差会报此故障。

处理方法：检查叶片实际位置。限位开关长时间运行后会松动，导致撞限位时的角度偏大，此时需要一人进入叶片，一人在中控器上微调叶片角度，观察到达限位的角度，然后参考这个角度将限位开关位置重新调整至刚好能触发时，在中控器上将角度清回91°。限位开关是由螺栓拧紧固定在轮毂上，调整时需要2把小活扳手或者8mm叉扳。

3.1.3 某个桨叶91°或95°触发

此故障有时候是误触发，复位即可，如果复位不了，进入轮毂检查，有垃圾卡主限位开关，造成限位开关提前触发，或者91度限位开关接线或者本身损坏失效，导致95°限位开关触发。

报错：叶片1限位开关动作

叶片2限位开关动作

叶片3限位开关动作

原因：叶片到达91°触发限位开关，但复位时叶片无法动作或脱离限位开关。

处理方法：首先手动变桨将桨叶脱离后尝试复位，若叶片没有动作，有可能的原因有：①机舱柜的手动变桨信号无法传给中控器；可在机舱柜中将141端子和140端子下方进线短接后手动变桨②检查轴控柜内开关是否有可能因过流跳开，若有合上开关后将桨叶调至90°即可复位③轴控箱内控制桨叶变将的6K1接触器损坏，检查如损坏更换，同时检查其他电器元件是否有损坏。

3.1.4 变桨电机温度高

报错：变桨电机1温度高

变桨电机2温度高

变桨电机3温度高

变桨电机1电流超过最大值

变桨电机2电流超过最大值

变桨电机3电流超过最大值

原因：温度过高多数由于线圈发热引起，有可能是电机内部短路或外载负荷太大所致，而过流也引起温度升高。

处理方法：先检查可能引起故障的外部原因：变桨齿轮箱卡涩、变桨齿轮夹12有异物；再检查因电气回路导致的原因，常见的是变桨电机的电器刹车没有打开，可检查电气刹车回路有无断线、接触器有无卡瑟等。排除了外部故障再检查电机内部是否绝缘老化或被破坏导致短路。

3.1.5 变桨控制通讯故障

原因：轮毂控制器与主控器之间的通讯中断，在轮毂中控柜中控器无故障的前提下，主要故障范围是信号线，从机舱柜到滑环，由滑环进入轮毂这一回路出现干扰、断线、航空插头损坏、滑环接触不良、通讯模块损坏等。

处理方法：用万用表测量中控器进线端电压为230v左右，出线端电压为24v左右，说明中控器无故障，继续检查，将机舱柜侧轮毂通讯线拔出，红白线、绿白线，将红白线接地，轮毂侧万用表一支表笔接地，如有电阻说明导通，无断路，有断路启用备用线，若故障依然存在，继续检查滑环，我场风机绝大多数变桨通讯故障都由滑环引起。齿轮箱漏油严重时造成滑环内进油，油附着在滑环与插针之间形成油膜，起绝缘作用，导致变桨通讯信号时断时续，冬季油变粘着，变桨通讯故障更为常见。一般清洗滑环后故障可消除，但此方法治标不治本，从根源上解决的方法是解决齿轮箱漏油问题。滑环造成的变桨通讯还有可能有插针损坏、固定不稳等原因引起，若滑环没有问题，得将轮毂端接线脱开与滑环端进线进行校线，校线的目的是检查线路有无接错、短接、破皮、接地等现象。滑环座要随主轴一起旋转，里面的线容易与滑环座摩擦导致破皮接地，也能引起变桨故障。

3.1.6 变桨错误

原因：变桨控制器内部发出的故障，变桨控制器OK信号中断，可能是变桨控制器故障，或者信号输出有问题。

处理方法：故障一般与其它变桨故障同时发生，当中控器故障无法控制变桨时，PITCH ConTROLLER OK信号为0，可进入轮毂检查中控器是否损坏，一般中控器故障，会导致无法手动变桨，若可以手动变桨，则检查信号输出的线路是否有虚接、断线等，前面提到的滑环问题也能引起此故障。

3.1.7 变桨失效

原因：当风轮转动时，机舱柜控制器要根据转速调整变桨位置使风轮按定值转动，若此传输错误或延迟300ms内不能给变桨控制器传达动作指令，则为了避免超速会报错停机。

处理方法：机舱柜控制器的信号无法传给变桨控制器主要由信号故障引起，影响这个信号的主要是信号线和滑环，检查信号端子有无电压，有电压则控制器将变桨信号发出，继续查机舱柜到滑环部分，若无故障继续检查滑环，再检查滑环到轮毂，分段检查逐步排查故障。

报错：变桨电机1转速高

变桨电机2转速高

变桨电机3转速高

原因：检测到的变桨转速超过31°每秒，这样的转速一般不会出现，大多数由于旋转编码器故障引起。或者由轮毂传出的RPM OK信号线问题引起。

处理方法：可参照检查变桨编码器不同步的故障处理方法编码器问题，编码器无故障则转向检查信号传输问题。

3.2 变桨机械部分常见故障原因及处理方法

变桨机械部分的故障主要集中在减速齿轮箱上，保养不到位加之质量问题，使减速齿轮箱有可能损坏，在有卡瑟转动不畅的情况下会导致变桨电机过流并且温度升高，因此有电机过流和温度高的情况频发时，要检查减速齿轮箱。轮毂内有给叶片轴承和变桨齿轮面润滑的自动润滑站，当缺少润滑油脂或油管堵塞时，叶片轴承和齿面得不到润滑，长时间运行必然造成永久地损伤，变桨齿轮与B编码器的铝制凸轮没有润滑，长时间摩擦，铝制凸轮容易磨损，重则将凸轮打坏，造成编码器不同步致使风机故障停机，因此需要重视润滑这个环节，长时间的小毛病的积累，必然导致机械部件不可挽回的损坏。

3.3 蓄电池部分常见故障及处理方法

3.3.1 变桨电池充电器故障

原因：轮毂充电器3A1不充电，有可能3A1已经损坏，有可能由于电网电压高导致无法充电。

处理方法：观察停机代码，一般轮毂充电器不工作引起3面蓄电池电压降低，将会一起报：

叶片1蓄电池电压故障

叶片2蓄电池电压故障

叶片3蓄电池电压故障

处理方法：检查3A1，测量有无230V交流输入，有230交流电压说明输入电源没问题，再测量有无230V左右直流输出和24V直流输出，有输入无输出则可更换3A1，若由于电网电压短时间过高引起，则电压恢复后即可复位。

报错：叶片1蓄电池电压故障（单独报错）

叶片2蓄电池电压故障（单独报错）

叶片3蓄电池电压故障（单独报错）

原因：若只是单面蓄电池电压故障，则不是由轮毂充电器不充电导致，可能由于蓄电池损坏、充电回路故障等引起。

处理方法：按下轮毂主控柜的充电实验按钮，3面轮流试充电，此时测量吸合的电流接触器的出线端有无230V直流电源，再顺着充电回路依次检查各电气元件的好坏，检查时留意有无接触不良等情况，确定充电回路无异常，则检查是否由于蓄电池故障导致不能充电。打开蓄电池柜，蓄电池由3组，每组6个蓄电池串联组成，单个蓄电池额定电压12V，先分别测量每组两端的电压，若有不正常的电压，则挨个测量每个蓄电池，直到确定故障的蓄电池位置，将损坏蓄电池更换，再充电数个小时（具体充电时间根据更换的数量和温度等外部因素决定），一般充电12小时即可。若不连续充电直接运行，则新蓄电池没有彻底激活，寿命大打折扣，很快也会再次损坏，还有可能导致其他蓄电池损坏。

参考文献：

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