杨俊浩
新疆龙源风力发电有限公司
摘 要：本文通过对变桨系统作用，组成及驱动原理进行了简单的介绍，分析了一些主要元器件充电器NG5、逆变器AC2和超级电容常见故障的原因及处理方法，最后对一个综合例子进行分析。
关键词：金风1.5MW 变桨 NG5 AC2 超级电容
1.引言
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，希望能对现场消缺提供一些经验和帮助。
2.变桨系统作用
2.1功率控制
金风1500kW风力发电机组功率控制线方式为变速变桨策略的控制方式。风速低于额定时，机组采用变速控制策略，通过控制发电机的电磁扭矩来控制叶轮转速，维持最佳叶尖速比运行，使机组始终跟随最佳功率曲线，从而捕获最大风能。当风速大于额定时，机组采用变速变桨控制策略，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置点，使机组维持稳定的功率输出。
2.2气动刹车
金风1500kW风力发电机组变桨系统是目前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，包括正常停机，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。
3. 变桨系统主要元器件介绍
3.1 直流充电电源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。现场NG5主要有两种，一种意大利生产的，型号为Zivan Battery Charger NG5，其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58V时开始充电，电容电压达到60V停止充电。另一种北京嘉昌生产的，型号为JF-CHARGER-60V-80A-VEN-J，与进口的运行方式不同，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。
3.2 变桨逆变器AC2
AC2就是异步电机用高频MOSFET逆变器，其额定电压为48V，最大电流450A，实际使用时由60V的直流稳压电源供电，工作频率为8KHZ，输出电压为3相29V，频率范围从0.6~56HZ。AC2主要有两部分功能，变频控制和变频驱动，用来控制变桨电机的速度和方向同时为电机提供动力驱动电机。
3.3.其他元器件
(1) 主控制器倍福模块
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) 变桨备用电源
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,每个能量模块则由6只超级电容单体串联组成，每只超级电容单体的额定电压为2.7V，额定电容值为3000F，超级电容总的电容值为125F。
(3) A10检测模块
集成了超级电容电压检测以及AC2的故障输出。将取自超级电容的60V、30V直流电压信号经过信号处理，转换成适合BECKHOFF 双极性模拟输入模块允许输入范围之内的信号。
(4) DC/DC模块
把60V的电压转换成稳定的24V给控制回路提供电源。改造后的变桨柜又增加一个DC/DC模块，专门为变桨电机电磁刹车和变桨柜风扇提供24V。
(5) 除此之外还有接近开关，绝对式旋转编码器，Pt100温度传感器 ,各种辅助保护继电器等，这里就不一一叙述。
4.变桨系统驱动原理
4.1变桨控制原理
三相交流400V经过NG5直流充电电源，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模拟量输入模块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。
5. 常见故障分析
5.1 NG5常见故障分析
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58V 持续 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。
常见NG5故障及原因分析：
(1) 缺相：一般输入电压有问题，检查交流电源输入电压。当交流电源发生缺相的时候，红色LED灯会亮起。这时电池充电器停止工作，充电程度指示器变成黄灯。检查交流电源输入，包括机舱到柜101F4 的400V输出，滑环延长线处哈丁插头是否接触不良。最常见的就是Q1接线松动或Q1内部接触不良导致缺相。
(2) 谐波：一般由于电压剧烈波动，其尖峰电压或电流超出NG5的正常输入范围（±15%），导致NG5内部电容被击穿，此时可以看到超级电容的高电压明显低于60V，机组报超级电容高电压故障。更换完NG5后还需检查变流柜网侧滤波单元的电容组，发现电容损坏要及时更换，平时巡检和消缺也应经常检查电容组是否鼓包。
(3) NG5_OK信号丢失：一般是NG5本身检测不到外部环境OK或者是NG5内部检测回路损坏导致。一般国产NG5会报此故障，报此故障时禁止复位开启，必须就地检查变流柜网侧滤波单元的电容是否损坏，否则再次复位开启可能损坏NG5。
(4) 过充电：NG5内部电压检测回路有问题，导致超级电容过充电。监控可看到此时超级电容高电压高于60V,低电压高于30V,需更换NG5。
(5) 变桨充电器温度高，检查NG5散热风扇运转是否正常。
参考文献：
[1]《金风1500KW机组故障解释说明》
[2]《Vensys变桨电气图纸》
[3]《金风1500kw机组电控部分原理介绍》
[4] 李永生，双馈变速恒频风电机组与恒速恒频风电机组比较[J]. 风力发电，2008