大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳電池充電故障分析處理

楊曉濤，韓洪濤，徐豫

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

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大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳電池充電故障分析處理

楊曉濤，韓洪濤，徐豫

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)多采用工業(yè)大規(guī)模集成系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算控制，提高了抗干擾能力。控制系統(tǒng)通過(guò)光纖與監(jiān)控室的計(jì)算機(jī)連接，可以遠(yuǎn)距離對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，大大降低了運(yùn)行人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，是進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及故障原因分析的重要手段。當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)報(bào)警停機(jī)時(shí)，如何準(zhǔn)確地判斷故障類型和原因并給出故障處理的方法對(duì)于風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，文章總結(jié)分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳電池充電故障的現(xiàn)象、原因、分析過(guò)程以及處理方法，保證了風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，為同類故障提供了參考。

變槳電池，充電故障，驅(qū)動(dòng)器，電池充電器，共模電壓

0　引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)裝機(jī)容量迅速增長(zhǎng)，單機(jī)容量也越來(lái)越大，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備會(huì)因環(huán)境變化、使用情況、運(yùn)行條件及自身元器件等原因而出現(xiàn)故障，對(duì)故障的判斷與處理是保證機(jī)組安全連續(xù)運(yùn)行的重要組成部分。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)多采用工業(yè)大規(guī)模集成系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算控制，提高了抗干擾能力。控制系統(tǒng)通過(guò)光纖與監(jiān)控室的計(jì)算機(jī)連接，可以遠(yuǎn)距離對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，大大降低了運(yùn)行人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，所以，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工作就是進(jìn)行遠(yuǎn)程故障排除和運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及故障原因分析，準(zhǔn)確地判斷故障類型和原因并給出故障處理的方法，這對(duì)于風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。相對(duì)而言，對(duì)故障的準(zhǔn)確判斷比處理更難。快速準(zhǔn)確地辨別風(fēng)機(jī)故障的性質(zhì)和問(wèn)題極其關(guān)鍵。如果判斷不準(zhǔn)確，不能從根本上排除故障點(diǎn)，反而會(huì)給風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行埋下隱患，使故障反復(fù)發(fā)生，從而影響風(fēng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行和發(fā)電量，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)重大事故的發(fā)生。

對(duì)于一般性常見(jiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)人員根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，都有不同的分析思路和處理方法，一般能夠很好地解決。但不常見(jiàn)故障的分析處理就比較困難，而且即使相同的故障表象或報(bào)警，其真正的故障點(diǎn)也是不一樣的，有的故障點(diǎn)直觀明了，處理起來(lái)立竿見(jiàn)影；有的故障看似簡(jiǎn)單，可處理起來(lái)反復(fù)波折，加上現(xiàn)場(chǎng)缺乏專業(yè)測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備，使故障處理更加棘手，需要根據(jù)機(jī)組的結(jié)構(gòu)對(duì)故障特征進(jìn)行詳細(xì)分析排查判斷。

本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳電池充電故障這個(gè)比較少見(jiàn)的故障案例進(jìn)行介紹，總結(jié)分析故障的現(xiàn)象、原因、分析過(guò)程以及處理方法，為同類故障提供參考。

1　機(jī)組概況

南方某風(fēng)場(chǎng)安裝使用的是國(guó)產(chǎn)1.5 MW級(jí)變槳距雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，為三葉片、上風(fēng)向、葉片變槳距、主動(dòng)偏航風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其技術(shù)參數(shù)如下：

額定功率：1 500 kW

葉輪直徑：82 m

輪轂中心高：80 m

塔高：78 m

額定風(fēng)速：11 m/s

設(shè)計(jì)壽命：20年

葉片長(zhǎng)度：37.5 m

葉片數(shù)量：3只

葉輪額定轉(zhuǎn)速：17.4 r/min

發(fā)電機(jī)類型：4極雙饋異步發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速：1 800 r/min

發(fā)電機(jī)額定頻率：50 Hz

風(fēng)機(jī)機(jī)艙主要由輪轂、齒輪箱、機(jī)艙控制柜、發(fā)電機(jī)、變槳距控制柜、變槳距伺服電機(jī)、偏航伺服電機(jī)、偏航齒輪等組成。其中變槳距系統(tǒng)為一對(duì)一的電動(dòng)變槳距，實(shí)現(xiàn)了每支葉片0～90°的變槳距控制。每個(gè)葉片的變槳距控制柜都配有一套蓄電池備用電源，當(dāng)來(lái)自滑環(huán)的電網(wǎng)電壓掉電時(shí)，蓄電池直接給電網(wǎng)控制系統(tǒng)供電，保證變槳控制系統(tǒng)正常工作，完成收槳保護(hù)功能，保證風(fēng)機(jī)的安全。

2　故障特征

從2014年3月風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行輸電線路停電檢修后，23#風(fēng)機(jī)便開(kāi)始頻繁出現(xiàn)“變槳電池充電故障”，如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)多次檢查均未查出原因，2015年6月再次對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)排查。

圖1　“變槳電池充電故障”報(bào)警信息

通過(guò)對(duì)23#風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)及報(bào)警信息分析后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生“變槳電池充電故障”時(shí)主要有以下特征：

（1）停機(jī)檢查時(shí)一切正常；

（2）只在運(yùn)行期間發(fā)生，且重復(fù)發(fā)生間隔時(shí)間多為45 min；

（3）故障發(fā)生沒(méi)有明顯規(guī)律，有時(shí)連續(xù)幾天都正常，一旦報(bào)錯(cuò)就出現(xiàn)多次；

（4）多發(fā)生于小風(fēng)期間（風(fēng)速大于3 m/s，小于5 m/s）；

（5）大風(fēng)運(yùn)行時(shí)不發(fā)生（風(fēng)速大于5 m/s）。

3　故障檢查

鑒于該故障發(fā)生的不確定性，加之現(xiàn)場(chǎng)無(wú)示波器和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此，在制定檢查思路時(shí)以“先甄別故障真實(shí)性，再縮小故障引發(fā)范圍，最后確定故障點(diǎn)”為方向，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取傳統(tǒng)的“排除法、比較法和互換法”對(duì)可能引發(fā)該故障的部套回路進(jìn)行逐步、逐線、逐點(diǎn)排查，最終找到并排除該故障。

首先，確定該故障的真實(shí)性，排除線路、接插件、端子、滑環(huán)、控制板等因接觸不良或外部干擾等問(wèn)題引發(fā)的假性故障表象。

用排除法對(duì)信號(hào)傳導(dǎo)回路施加穩(wěn)定的DC24 V信號(hào)進(jìn)行逐段排查，施加信號(hào)后運(yùn)行風(fēng)機(jī)進(jìn)行觀察，通過(guò)逐段排除后確定“變槳電池充電故障”與主控、端子、滑環(huán)、蟒蛇線、電器、插頭無(wú)關(guān)，所以確認(rèn)該故障是真實(shí)存在的。

其次，縮小故障引發(fā)范圍，通過(guò)逐步縮小引發(fā)故障的范圍，準(zhǔn)確找到故障引發(fā)原因。

從控制邏輯設(shè)計(jì)上講，觸發(fā)“變槳電池充電故障”必須滿足以下3個(gè)條件：

（1）DE2.9信號(hào)為高電平（24 V），如圖2（a）所示；

（2）DE3.9信號(hào)為低電平（0 V）， 如圖2（b）所示；

（3）電池OK信號(hào)為低電平（0 V），如圖2（c）所示。

采用排除法對(duì)3個(gè)電池回路及以上條件點(diǎn)（G3.9-56；5G1-X16.2X16.3；19R1-12）進(jìn)行逐點(diǎn)短接，并運(yùn)行風(fēng)機(jī)進(jìn)行觀察，驗(yàn)證結(jié)果為電池充電器（5G1）內(nèi)部的5腳、6腳觸點(diǎn)動(dòng)作閉合，該觸點(diǎn)動(dòng)作后使其信號(hào)回路滿足“變槳電池充電故障”觸發(fā)條件，從而使主控發(fā)出“變槳電池充電故障”報(bào)警，邏輯圖如圖3所示。

圖2　觸發(fā)“變槳電池充電故障”的邏輯條件

圖3　“變槳電池充電故障”報(bào)警邏輯

由電池充電器（5G1）說(shuō)明書(shū)得知，電池充電器（5G1）的5、6腳是電池充電器（5G1）的內(nèi)部繼電器1，該繼電器動(dòng)作條件中符合現(xiàn)場(chǎng)條件的有以下幾點(diǎn)：

（1）電池柜溫度低；

（2）電池溫度傳感器出錯(cuò)；

（3）充電回路內(nèi)部環(huán)境傳感器故障；

（4）散熱器溫度故障；

（5）電池柜溫度高；

（6）輸出短路；

（7）輸出過(guò)壓；

（8）輸出欠壓；

（9）供電出錯(cuò)；

（10）電池溫度傳感器電源出錯(cuò)。

采用排除法、比較法、互換法對(duì)以上條件進(jìn)行逐一排查，利用隔離、短接、互換、跨越等方式進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)多次試驗(yàn)最終排除了以上10點(diǎn)中的8個(gè)條件，僅剩充電器輸出過(guò)壓及輸出欠壓現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法模擬。下面以排查“電池溫度傳感器出錯(cuò)”和“充電回路內(nèi)部環(huán)境傳感器故障”為例進(jìn)行說(shuō)明。

電池溫度傳感器出錯(cuò)。檢測(cè)了電池溫度傳感器NTC阻值正常，并且將溫度傳感器直接接到充電器測(cè)溫端口進(jìn)行使用（檢驗(yàn)B重載及線路是否有問(wèn)題），但系統(tǒng)運(yùn)行后仍然報(bào)“變槳電池充電故障”，因此，排除了電池溫度傳感器NTC及B重載及線路問(wèn)題。

充電回路內(nèi)部環(huán)境傳感器故障。檢測(cè)了充電回路線路、控制繼電器及蓄電池單體電壓，均未發(fā)現(xiàn)異常，可以排除充電回路線路、控制繼電器及蓄電池單體存在問(wèn)題的可能性。

對(duì)于充電器輸出過(guò)壓及輸出欠壓?jiǎn)栴}，根據(jù)前面對(duì)充電器的檢查及驗(yàn)證，充電器自身造成輸出過(guò)壓或欠壓的可能可以被排除。通過(guò)分析變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路，發(fā)現(xiàn)充電器在工作過(guò)程中，其輸出負(fù)極會(huì)與驅(qū)動(dòng)器直流母線負(fù)極接通，懷疑可能是驅(qū)動(dòng)器直流母線負(fù)極輸出端的共模電壓被抬高，造成了充電器繼電器1動(dòng)作，因此，將3個(gè)驅(qū)動(dòng)器直流母線負(fù)極與充電器輸出負(fù)極逐一隔離進(jìn)行驗(yàn)證。

經(jīng)過(guò)連續(xù)的隔離試驗(yàn)運(yùn)行，23#風(fēng)機(jī)未出現(xiàn)“變槳電池充電故障”報(bào)警，因此，初步判定導(dǎo)致充電器繼電器1誤動(dòng)作的原因?yàn)轵?qū)動(dòng)器直流母線（ZK+、ZK-線）負(fù)極共模電壓被抬高導(dǎo)致。通過(guò)進(jìn)一步排查，最終將故障發(fā)生范圍鎖定在1#槳葉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

4　原因分析

從故障特征分析可知，23#風(fēng)機(jī)“變槳電池充電故障”多在小風(fēng)期間（風(fēng)速大于3 m/s，小于5 m/s），主要是因?yàn)樾★L(fēng)時(shí)風(fēng)機(jī)變槳頻繁，回槳角度大（經(jīng)常從0°直接到90°），驅(qū)動(dòng)器直流母線負(fù)極產(chǎn)生較大共模電壓時(shí)間較多，充電器輸出負(fù)極易頻繁受到較大共模干擾，易出現(xiàn)繼電器1誤動(dòng)作；在大風(fēng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)不報(bào)該故障，主要是因?yàn)榇箫L(fēng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)始終帶電工作，因此，即便存在共模電壓，其電壓值也達(dá)不到過(guò)壓上限值；故障只發(fā)生在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，停機(jī)檢查一切正常，停機(jī)后不會(huì)產(chǎn)生共模電壓，因?yàn)槭歉袘?yīng)電勢(shì)，系統(tǒng)停止工作后在短時(shí)間內(nèi)既可釋放，且未造成器件及線纜損壞。

充電器輸出回路正常工作時(shí)與驅(qū)動(dòng)器直流母線的簡(jiǎn)化電路如圖4所示。驅(qū)動(dòng)器提供給變槳直流電機(jī)的工作電壓通過(guò)三相交流整流得到，由于工頻電壓對(duì)地存在固定電壓，故驅(qū)動(dòng)器直流母線負(fù)極也存在固定電位，即產(chǎn)生共模干擾。由圖4可知，驅(qū)動(dòng)器直流母線負(fù)極產(chǎn)生的共模干擾會(huì)直接疊加到充電器輸出的負(fù)極。

圖4　充電器與直流母線驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化電路圖

經(jīng)向充電器廠家了解，充電器輸出過(guò)壓檢測(cè)回路的參考地（GND）采用的ZK-是懸空地。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生ZK+與ZK-之間的共模電壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，將觸發(fā)充電器過(guò)壓報(bào)警，處理方法為將ZK+與ZK-與充電器隔離，充電器輸出過(guò)壓檢測(cè)回路的參考地與ZK-隔離，可避免共模電壓的干擾。

當(dāng)槳葉快速變槳時(shí)驅(qū)動(dòng)器直流母線正、負(fù)極間產(chǎn)生較大共模電壓，或當(dāng)電機(jī)剎車快速停止時(shí)，電機(jī)繞組中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)也會(huì)使驅(qū)動(dòng)器直流母線負(fù)極產(chǎn)生較大共模電壓，該共模干擾電壓最大會(huì)超過(guò)500 V，所以，如果充電器負(fù)極絕緣強(qiáng)度不夠或者共模干擾抑制能力不足，會(huì)造成充電器測(cè)得的輸出電壓發(fā)生偏差或內(nèi)部電路工作異常，出現(xiàn)充電器繼電器1誤動(dòng)作的可能。

在確定“變槳電池充電故障”報(bào)警由1#槳葉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)引發(fā)的原因后，采取互換法將1#槳葉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的線路、變槳驅(qū)動(dòng)器、變槳電機(jī)、變壓器等元件與其他槳葉的相同元件進(jìn)行互換，觀察故障變化情況，發(fā)現(xiàn)該故障不以更換件轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移，這說(shuō)明故障是1#槳葉變槳系統(tǒng)工作時(shí)各主要器件間可能產(chǎn)生的干擾相互疊加發(fā)生放大而抬高了對(duì)地電壓，與各單一器件無(wú)關(guān)。

現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有示波器或在線監(jiān)測(cè)儀器，無(wú)具體測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)排查結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推斷得出：1#槳葉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中主要的感性、容性元件（變壓器、電抗器、電容器等）的某些技術(shù)指標(biāo)處于臨界狀態(tài)，當(dāng)受到較大信號(hào)波動(dòng)或較大干擾時(shí)，易引起工作基點(diǎn)偏移，導(dǎo)致高共模電壓觸動(dòng)電池充電器內(nèi)部保護(hù)限值，激發(fā)充電器保護(hù)并報(bào)警，因此，1#槳葉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的抗干擾能力比另外兩只槳葉相對(duì)弱些。

5　故障處理

根據(jù)檢查結(jié)論，為有效抑制驅(qū)動(dòng)器直流母線負(fù)極產(chǎn)生的共模干擾直接疊加到充電器輸出的負(fù)極，經(jīng)與廠家確認(rèn)，將接在充電器與驅(qū)動(dòng)器正極（ZK+線）上的二極管（1V1）接到負(fù)極（ZK-線）上，更改后的電路圖如圖5所示。

圖5　更改后充電器與直流母線驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化電路圖

處理之后經(jīng)過(guò)20多天的試運(yùn)行，23#風(fēng)機(jī)未再發(fā)生“變槳電池充電故障”報(bào)警，風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況良好，2015年7月風(fēng)電廠輸變電線路停電檢修后23#風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常，未發(fā)生“變槳電池充電故障”報(bào)警。

6　小結(jié)

此次的“變槳電池充電故障”是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中比較少見(jiàn)的情況，通過(guò)仔細(xì)排查，最終確定了故障發(fā)生的原因及部位，并通過(guò)增加二極管對(duì)引發(fā)報(bào)警的信號(hào)進(jìn)行了有效抑制，但本次對(duì)“變槳電池充電故障”的排查處理并未結(jié)束，沒(méi)有從根本上找到故障點(diǎn)并徹底消除。下一步的工作是利用示波器或數(shù)據(jù)采集儀器等專業(yè)測(cè)試儀器對(duì)變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在故障發(fā)生條件下的運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確地分析、判斷，找出故障點(diǎn)并徹底排除故障。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)人員來(lái)講，能夠準(zhǔn)確判斷故障原因并徹底解決問(wèn)題是最好的結(jié)果，但有時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，比如缺少專業(yè)儀器和測(cè)試設(shè)備，就應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，通過(guò)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觯扇“踩侠淼拇胧┛焖俚嘏懦龁?wèn)題，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全、高效、平穩(wěn)地運(yùn)行。最后將故障現(xiàn)象和處理情況及時(shí)反饋給技術(shù)部門，為后續(xù)的技術(shù)改進(jìn)提供依據(jù)。

［1］胡桂麗.機(jī)床電氣設(shè)備維修技術(shù)基礎(chǔ)與技能［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］武友德.數(shù)控設(shè)備故障診斷與維修技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］徐小力，王紅軍.大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)［M］.北京：科學(xué)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

楊曉濤（1968-），男，電工技師，2002年畢業(yè)于四川省東方動(dòng)力職工大學(xué)，現(xiàn)主要從事風(fēng)電技術(shù)服務(wù)工作。