大型风力发电机组变桨电池充电故障分析处理

杨晓涛，韩洪涛，徐豫

（东方电气风电有限公司，四川德阳，618000）



大型风力发电机组变桨电池充电故障分析处理

杨晓涛，韩洪涛，徐豫

（东方电气风电有限公司，四川德阳，618000）

风力发电机组的控制系统多采用工业大规模集成系统进行运算控制，提高了抗干扰能力。控制系统通过光纤与监控室的计算机连接，可以远距离对风机进行实时监控，大大降低了运行人员的工作量和劳动强度，是进行远程运行数据统计分析及故障原因分析的重要手段。当风机出现报警停机时，如何准确地判断故障类型和原因并给出故障处理的方法对于风机的安全运行至关重要，文章总结分析了风力发电机组变桨电池充电故障的现象、原因、分析过程以及处理方法，保证了风机的正常运行，为同类故障提供了参考。

变桨电池，充电故障，驱动器，电池充电器，共模电压

0　引言

随着风力发电技术的迅猛发展，国内装机容量迅速增长，单机容量也越来越大，大型风力发电机组设备会因环境变化、使用情况、运行条件及自身元器件等原因而出现故障，对故障的判断与处理是保证机组安全连续运行的重要组成部分。风力发电机组的控制系统多采用工业大规模集成系统进行运算控制，提高了抗干扰能力。控制系统通过光纤与监控室的计算机连接，可以远距离对风机进行实时监控，大大降低了运行人员的工作量和劳动强度，所以，风机的运行工作就是进行远程故障排除和运行数据统计分析及故障原因分析，准确地判断故障类型和原因并给出故障处理的方法，这对于风机的安全运行至关重要。相对而言，对故障的准确判断比处理更难。快速准确地辨别风机故障的性质和问题极其关键。如果判断不准确，不能从根本上排除故障点，反而会给风机的正常运行埋下隐患，使故障反复发生，从而影响风机的平稳运行和发电量，严重的还会导致风机重大事故的发生。

对于一般性常见故障，现场技术服务人员根据以往的经验进行判断，都有不同的分析思路和处理方法，一般能够很好地解决。但不常见故障的分析处理就比较困难，而且即使相同的故障表象或报警，其真正的故障点也是不一样的，有的故障点直观明了，处理起来立竿见影；有的故障看似简单，可处理起来反复波折，加上现场缺乏专业测试仪器、数据采集设备，使故障处理更加棘手，需要根据机组的结构对故障特征进行详细分析排查判断。

本文对风力发电机组变桨电池充电故障这个比较少见的故障案例进行介绍，总结分析故障的现象、原因、分析过程以及处理方法，为同类故障提供参考。

1　机组概况

南方某风场安装使用的是国产1.5 MW级变桨距双馈式风力发电机组，为三叶片、上风向、叶片变桨距、主动偏航风力发电机组，其技术参数如下：

额定功率：1 500 kW

叶轮直径：82 m

轮毂中心高：80 m

塔高：78 m

额定风速：11 m/s

设计寿命：20年

叶片长度：37.5 m

叶片数量：3只

叶轮额定转速：17.4 r/min

发电机类型：4极双馈异步发电机

发电机额定转速：1 800 r/min

发电机额定频率：50 Hz

风机机舱主要由轮毂、齿轮箱、机舱控制柜、发电机、变桨距控制柜、变桨距伺服电机、偏航伺服电机、偏航齿轮等组成。其中变桨距系统为一对一的电动变桨距，实现了每支叶片0～90°的变桨距控制。每个叶片的变桨距控制柜都配有一套蓄电池备用电源，当来自滑环的电网电压掉电时，蓄电池直接给电网控制系统供电，保证变桨控制系统正常工作，完成收桨保护功能，保证风机的安全。

2　故障特征

从2014年3月风场进行输电线路停电检修后，23#风机便开始频繁出现“变桨电池充电故障”，如图1所示。现场多次检查均未查出原因，2015年6月再次对该问题进行系统排查。

图1　“变桨电池充电故障”报警信息

通过对23#风机运行数据及报警信息分析后发现，发生“变桨电池充电故障”时主要有以下特征：

（1）停机检查时一切正常；

（2）只在运行期间发生，且重复发生间隔时间多为45 min；

（3）故障发生没有明显规律，有时连续几天都正常，一旦报错就出现多次；

（4）多发生于小风期间（风速大于3 m/s，小于5 m/s）；

（5）大风运行时不发生（风速大于5 m/s）。

3　故障检查

鉴于该故障发生的不确定性，加之现场无示波器和实时数据采集设备，因此，在制定检查思路时以“先甄别故障真实性，再缩小故障引发范围，最后确定故障点”为方向，根据现场实际情况采取传统的“排除法、比较法和互换法”对可能引发该故障的部套回路进行逐步、逐线、逐点排查，最终找到并排除该故障。

首先，确定该故障的真实性，排除线路、接插件、端子、滑环、控制板等因接触不良或外部干扰等问题引发的假性故障表象。

用排除法对信号传导回路施加稳定的DC24 V信号进行逐段排查，施加信号后运行风机进行观察，通过逐段排除后确定“变桨电池充电故障”与主控、端子、滑环、蟒蛇线、电器、插头无关，所以确认该故障是真实存在的。

其次，缩小故障引发范围，通过逐步缩小引发故障的范围，准确找到故障引发原因。

从控制逻辑设计上讲，触发“变桨电池充电故障”必须满足以下3个条件：

（1）DE2.9信号为高电平（24 V），如图2（a）所示；

（2）DE3.9信号为低电平（0 V）， 如图2（b）所示；

（3）电池OK信号为低电平（0 V），如图2（c）所示。

采用排除法对3个电池回路及以上条件点（G3.9-56；5G1-X16.2X16.3；19R1-12）进行逐点短接，并运行风机进行观察，验证结果为电池充电器（5G1）内部的5脚、6脚触点动作闭合，该触点动作后使其信号回路满足“变桨电池充电故障”触发条件，从而使主控发出“变桨电池充电故障”报警，逻辑图如图3所示。

图2　触发“变桨电池充电故障”的逻辑条件

图3　“变桨电池充电故障”报警逻辑

由电池充电器（5G1）说明书得知，电池充电器（5G1）的5、6脚是电池充电器（5G1）的内部继电器1，该继电器动作条件中符合现场条件的有以下几点：

（1）电池柜温度低；

（2）电池温度传感器出错；

（3）充电回路内部环境传感器故障；

（4）散热器温度故障；

（5）电池柜温度高；

（6）输出短路；

（7）输出过压；

（8）输出欠压；

（9）供电出错；

（10）电池温度传感器电源出错。

采用排除法、比较法、互换法对以上条件进行逐一排查，利用隔离、短接、互换、跨越等方式进行测试，经多次试验最终排除了以上10点中的8个条件，仅剩充电器输出过压及输出欠压现场无法模拟。下面以排查“电池温度传感器出错”和“充电回路内部环境传感器故障”为例进行说明。

电池温度传感器出错。检测了电池温度传感器NTC阻值正常，并且将温度传感器直接接到充电器测温端口进行使用（检验B重载及线路是否有问题），但系统运行后仍然报“变桨电池充电故障”，因此，排除了电池温度传感器NTC及B重载及线路问题。

充电回路内部环境传感器故障。检测了充电回路线路、控制继电器及蓄电池单体电压，均未发现异常，可以排除充电回路线路、控制继电器及蓄电池单体存在问题的可能性。

对于充电器输出过压及输出欠压问题，根据前面对充电器的检查及验证，充电器自身造成输出过压或欠压的可能可以被排除。通过分析变桨驱动系统电路，发现充电器在工作过程中，其输出负极会与驱动器直流母线负极接通，怀疑可能是驱动器直流母线负极输出端的共模电压被抬高，造成了充电器继电器1动作，因此，将3个驱动器直流母线负极与充电器输出负极逐一隔离进行验证。

经过连续的隔离试验运行，23#风机未出现“变桨电池充电故障”报警，因此，初步判定导致充电器继电器1误动作的原因为驱动器直流母线（ZK+、ZK-线）负极共模电压被抬高导致。通过进一步排查，最终将故障发生范围锁定在1#桨叶驱动系统。

4　原因分析

从故障特征分析可知，23#风机“变桨电池充电故障”多在小风期间（风速大于3 m/s，小于5 m/s），主要是因为小风时风机变桨频繁，回桨角度大（经常从0°直接到90°），驱动器直流母线负极产生较大共模电压时间较多，充电器输出负极易频繁受到较大共模干扰，易出现继电器1误动作；在大风连续运行时不报该故障，主要是因为大风运行时电机始终带电工作，因此，即便存在共模电压，其电压值也达不到过压上限值；故障只发生在风机运行时，停机检查一切正常，停机后不会产生共模电压，因为是感应电势，系统停止工作后在短时间内既可释放，且未造成器件及线缆损坏。

充电器输出回路正常工作时与驱动器直流母线的简化电路如图4所示。驱动器提供给变桨直流电机的工作电压通过三相交流整流得到，由于工频电压对地存在固定电压，故驱动器直流母线负极也存在固定电位，即产生共模干扰。由图4可知，驱动器直流母线负极产生的共模干扰会直接叠加到充电器输出的负极。

图4　充电器与直流母线驱动器简化电路图

经向充电器厂家了解，充电器输出过压检测回路的参考地（GND）采用的ZK-是悬空地。当驱动器产生ZK+与ZK-之间的共模电压超过一定数值时，将触发充电器过压报警，处理方法为将ZK+与ZK-与充电器隔离，充电器输出过压检测回路的参考地与ZK-隔离，可避免共模电压的干扰。

当桨叶快速变桨时驱动器直流母线正、负极间产生较大共模电压，或当电机刹车快速停止时，电机绕组中会产生一个反电动势也会使驱动器直流母线负极产生较大共模电压，该共模干扰电压最大会超过500 V，所以，如果充电器负极绝缘强度不够或者共模干扰抑制能力不足，会造成充电器测得的输出电压发生偏差或内部电路工作异常，出现充电器继电器1误动作的可能。

在确定“变桨电池充电故障”报警由1#桨叶驱动系统引发的原因后，采取互换法将1#桨叶驱动系统中的线路、变桨驱动器、变桨电机、变压器等元件与其他桨叶的相同元件进行互换，观察故障变化情况，发现该故障不以更换件转移而转移，这说明故障是1#桨叶变桨系统工作时各主要器件间可能产生的干扰相互叠加发生放大而抬高了对地电压，与各单一器件无关。

现场没有示波器或在线监测仪器，无具体测试数据，根据排查结果和经验进行推断得出：1#桨叶驱动系统中主要的感性、容性元件（变压器、电抗器、电容器等）的某些技术指标处于临界状态，当受到较大信号波动或较大干扰时，易引起工作基点偏移，导致高共模电压触动电池充电器内部保护限值，激发充电器保护并报警，因此，1#桨叶驱动系统的抗干扰能力比另外两只桨叶相对弱些。

5　故障处理

根据检查结论，为有效抑制驱动器直流母线负极产生的共模干扰直接叠加到充电器输出的负极，经与厂家确认，将接在充电器与驱动器正极（ZK+线）上的二极管（1V1）接到负极（ZK-线）上，更改后的电路图如图5所示。

图5　更改后充电器与直流母线驱动器简化电路图

处理之后经过20多天的试运行，23#风机未再发生“变桨电池充电故障”报警，风机运行状况良好，2015年7月风电厂输变电线路停电检修后23#风机运行正常，未发生“变桨电池充电故障”报警。

6　小结

此次的“变桨电池充电故障”是风力发电机组运行中比较少见的情况，通过仔细排查，最终确定了故障发生的原因及部位，并通过增加二极管对引发报警的信号进行了有效抑制，但本次对“变桨电池充电故障”的排查处理并未结束，没有从根本上找到故障点并彻底消除。下一步的工作是利用示波器或数据采集仪器等专业测试仪器对变桨驱动系统在故障发生条件下的运行情况进行测试，根据采集数据进行科学、准确地分析、判断，找出故障点并彻底排除故障。

对现场技术服务人员来讲，能够准确判断故障原因并彻底解决问题是最好的结果，但有时受现场条件限制，比如缺少专业仪器和测试设备，就应依据现场条件，通过科学严谨的分析，采取安全合理的措施快速地排除问题，保证风力发电机组安全、高效、平稳地运行。最后将故障现象和处理情况及时反馈给技术部门，为后续的技术改进提供依据。

［1］胡桂丽.机床电气设备维修技术基础与技能［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［2］武友德.数控设备故障诊断与维修技术［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［3］徐小力，王红军.大型旋转机械运行状态趋势预测［M］.北京：科学出版社，2010.

Analysis and Disposal of Variable Pitch Battery Charging Fault of Large Wind Turbine

Yang Xiaotao，Han Hongtao，Xu Yu
（Dongfang Electric Wind Power Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

The control system of the wind turbine is controlled by the operation of large-scale industrial integration system，and the anti-interference ability is improved.Control system connects the computer in the monitoring room through the optical fiber and the wind turbine can be monitored remotely，the workload and labor intensity of the operator are greatly reduced，so the operation of the wind turbine is the important mean to run the remote fault diagnosis and operation data analysis and fault analysis.When the wind turbine is stopped，how to accurately determine types and causes of failure and give the method of fault treatment for the safe operation of the wind turbine are very important.This paper analyzes the phenomenon，cause，analysis process and processing method of the variable pitch battery charging failure of the wind turbine，and the safety operation of the wind turbine is ensured，it will provide reference for the similar fault.

variable pitch battery，charge fault，driver，battery charger，common-mode voltage

TK83

A

1674-9987（2016）03-0056-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.013

杨晓涛（1968-），男，电工技师，2002年毕业于四川省东方动力职工大学，现主要从事风电技术服务工作。