刘乔
（湘电风能有限公司，湖南湘潭411100）
摘要：介绍了变桨距风力发电机组的特性，变桨距风力发电机组工作原理，根据一起故障事件引入对电控变桨距系统的优化改进。
关键词：风力发电机组电动变桨距控制系统紧急变桨测试变桨驱动器后备电源故障桨叶顺桨 引言
目前，风力发电机组装机和并网运行数量越来越多，在电力系统中占据比例越来越大。因此，风力发电机组的稳定运行对电力系统的稳定性的影响变得越来越不容忽视。
某风电场位于四川省凉山彝族自治州，一期投入运行共8台2MW风力发电机组；每台风力发电机组的变桨系统主要由PLC控制器%Mentor MP变桨驱动器（驱动器）、后备电源系统（蓄电池 组）、伺服电机及减速齿轮箱、变桨齿轮、变桨轴承、限位开关、传感器、接触器、继电器等组成。
其系统构成见图1.
图1风力发电机组电动变桨距系统示意图
1事件经过
钨铜电触头2012年10月06日12:25:10，风电场常轨维护人员接到风电场升压站中控室值班员电话: 3508F号风力发电机组达到切入风速但一直处于“等待复位”状态。风机维护人员立刻赶到中控室查看风机SCADA系统最近事件记录:
11:59:12紧急变桨系统测试，
11:59:26紧急变桨测试0K,
11:59:30风机自动复位，
且无停机故障记录提示；
维护人员通过操作主机进入3508F号风力发电机组（机组'远程操作界面Operator Panel，发现主界面Overview中机组的启动状态start-up为闭锁blocked状态，桨叶角度Blade Angles中桨叶Blade1%桨叶B
lade2角度均为86°，桨叶Blade3的角度为89.7°；查看桨叶Blade变桨驱动器Drive状态，驱动器除驱动器Drive3外，驱动器Drive1和驱动器Drive2均为OK状态，对变浆驱动器及机组控制系统进行复位Reset操作后，桨叶角度及变浆驱动器状态无变化。
风机维护人员于13:35:16到达3508F号风机塔基主控柜位置将风机停机并将风机维护开关置于“ON”状态，13:47:02维护人员锁定风机叶轮并进入轮毂，对3号变桨系统回路进行仔细排查，发现驱动器磁场熔断器熔断，更换故障熔断器，驱动器故障复位；维护人员对变浆电机进行反复高、低速及正、反转操作测试，驱动器正常工作无异常；维护人员并将变桨驱动器故障自动重启次数由1次调整为0次，16:32:153508F号机组正常启动并并网发电；10月21日11:59:323308F号机组运行过程中出现驱动器Driver3flt（3号驱动器故障）故障信息并解列停机。 2故障原因及分析处理
2.1风力发电机组电动变桨距系统原理
变桨距就是使风力发电机组桨叶绕其安装轴
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-
旋转，改变桨叶的桨距角（正常工作角度范围0°~ 90。），从而改变风力发电机的气动特性，桨距角越小时桨叶的受风面积越大，风力发电机组所接受风的动能就越大，输出的电能也就越大。
每台93型风力发电机组包含3个桨叶，均采用伺服电机驱动齿轮系实现变桨距调节功能；每片桨叶的变浆伺服电机均采用独立的变桨距系统控制；变桨距系统的电气部分包括一次供电回路和二次控制回路。
变桨距系统的一次供电回路部分包含2个相互独立的供电电源：第一个为常规供电电源，由直流伺服
驱动器作为直流变浆伺服电机的工作电源；第二个为紧急供电电源，由一组铅酸阀控免维护蓄电池（蓄电池）作为直流变浆伺服电机（变浆电机）的工作电源$当风发电机组处于正常情况下，机组变桨距系统通过直流伺服驱动器（驱动器）作为常规供电电源驱动变桨电机旋转调整桨叶桨距角；机组输出功率在“PLC功率限值”（小于或等于额定功率）以下，变桨距系统通过控制二次回路控制驱动器驱动变浆伺服电机将桨叶桨距角置于0。附近，随着外界风速增大，输出功率超过设定功率限值时，变桨距控制二次回路控制驱动器驱动变浆电机工作，调整（减少）桨距角，将机组的输出功率限制在限定值附近$
当机组在紧急情况下，变桨距控制二次控制将作为常规供电电源的驱动器切出，并将作为紧急供电电源的蓄电池组切入，蓄电池组为变桨电机提供电源，桨叶紧急快速顺桨，确保风机在任何工况下都安全；其原理参考图1$
为了检验紧急供电系统的可靠性，风力发电机组将定期自动进行紧急变桨测试；紧急变桨测试时，机组变桨距控制系统将驱动器切出，并将蓄电池组切入给直流伺服电机供电，桨叶紧急顺桨后，3个桨叶的桨距角为90。，说明紧急变桨测试正常。紧急顺桨测试完成后，变桨距控制系统将蓄电池组切出；并将驱动器切入给直流伺服电机供电，驱动器切入后根据PLC指令控制伺服直流电机转动，调整桨叶桨距角到等风位置86。处，当驱动器故障时无法驱动变桨电机工作，桨距角将保持在顺桨角度90。处无变化。
2.2一、二次回路检查过程及分析
风电场3508F号风电机组3号变桨驱动器故障停机后，维护人员使用PC通过USB-EIA485隔离变换器连接驱动器Drive3，并用CT Soft （EMERSON CONTROL TECHNIQUES）软件查看故障日志faults log，日志见下表1:
Trip No.Trip Code Trip Description Trip Time 020It.AC I2t on drive output current0:010:00:35 120It.AC I2t on drive output current-0:00 220It.AC I2t on drive output current-0:01 320It.AC I2t on drive output current-0:31 4169FOC Field overcurrent-0:32 5170SL Supply loss-0:32 6160Fbr feedback reversed-0:32 7160Fbr feedback reversed-0:32 8159FbL Feedback loss-0:32 9159FbL Feedback loss-0:32
根据运行记录和现场查看的情况查看结果，驱动器更换内部保险管后驱动器可以正常工作，可以排除故障起因来自于变桨驱动器本身问题；结合3508号机组在以往调试和运行过程中并未出现此情况仅在近期机组运行过程中自动进行紧急变桨测试后才出现此问题，因此怀疑故障原因为变桨距系统二次控制回路部分的问题而引起驱动器故障，机组停机$
对变桨距系统一、二次回路的电缆敷设情况进行检查，发现施工工艺均符合规程规范要求，对回路电缆接线进行检查未发现有松动、破皮现象，接触器均能吸合动作，而驱动器可以手动正常工
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作无故障，对一次及二次电路进行进一步分析。288V 后备电源 驱动器电枢电源+ - A1 A2
288V 后备电源 驱动器励磁电源+ - F+ F-图2变桨距系统二次控制回路原理图
58K7
60K3]
60K1
Armature__L
(M
3#变浆直流伺服电机
53A2消磁续流射线灯
二极管
图3 变桨距系统一次供电回路原理图
风力发电机组正常发电情况下时，驱动器作
为直流伺服电机的工作电源:PLC 的D016给出
为高电平信号，看门狗继电器Watchdog 78A0常 开触点闭合，超速继电器Rotor speed 78A4常开
触点闭合，主控回路中间继电器56K4线圈得电，
56K4常开触点闭合，驱动器磁场接触器60K1线
圈得电，60K1主触点闭合，驱动器-直流伺服电机 电枢回路接通;60Kl 辅助常开触点闭合（52A2驱
动器状态READY 正常时内部常开触点闭合状
态），继电器56K6线圈得电，56K6常开触点闭合，
驱动器电枢接触器60K3线圈得电，60K3主触点
闭合，驱动器-直流伺服电机励磁回路接通；同时
PLC 的D08端口给出高电平，继电器56K7线圈
得电常开触点闭合，接触器60K2线圈得电，主触 点闭合，电机刹车得电，转子释放；驱动器根据
PLC 速度给定调整桨叶转动的速度和方向。
当风力发电机组遇到紧急情况或定期紧急变
桨测试时，PLC 的D017端口脉冲信号丢失，看门 狗继电器Watchdog 78A0常开触点断开，主控回
路中间继电器56K4线圈失电常开触点断开
60K1、60K2、60I 〈3接触器线圈失电主触点断开；
56K4常闭触点闭合，接触器60K1常闭辅助触点
闭合，接触器58K5、58I 〈7线圈得电,58K5主触点
闭合，电机刹车得电，转子释放，电池组励磁接触
器58K7主触点闭合，电池组-直流伺服电机励磁
回路接通；接触器58K5常开辅助触点闭合，电池
组电枢接触器58K4线圈得电主触点闭合，电池
组-直流伺服电机电枢回路接通，伺服电机正转，
桨叶紧急进入顺桨过程；当桨叶到达90。
位置时，
58S4行程开关动作，常闭触点断开，常开触点闭 合，58K4、58K5、58I 〈7接触器线圈失电接触器主
触点断开，桨叶紧急顺桨完成；继电器58K8线圈
得电，常开触点闭合，系统等待PLC 的D016端口 高电平信号是否进入驱动器作为直流伺服电机的 工作电源状态。
由于故障仅出现在驱动器与后备电源（蓄电
池组）切换时的伺服电机的励磁回路，因此可以怀 疑在驱动器磁场接触器60K3与电池组磁场接触
器58K7切换时，励磁回路发生驱动器励磁电源
与电池组（288V 后备电源）“并联短路”，而造成驱
动器内部磁场输出保险过流烧毁（参见表1中 trip9、trip8、trip7、trip6、trip5、trip4），伺服电机磁场
回路断开，励磁电流为零。由于失去了励磁电流， 直流电机定子磁场将降至剩磁水平，转子在原有
的转速下只能产生较小的感应电动势，直流电机 电流=（外加电压-转子产生的感应电动势）$回路
电阻，转子电枢电流将急剧增加，瞬间过流（参见
表 1 中 trip3、trip2、trip1、trip0） ， 驱动器故障， 后备
电源蓄电池紧急切入并驱动伺服电机紧急收浆。
对控制系统过程时间进行分析，当变桨系统由正
常情况向紧急情况切换时，中间继电器56K4线圈失
电其常开触点断开（同时其常闭触点闭合），接触器 60K1、60I 〈3线圈同时失电，60K3主触点断开过程时
间为t3；60K1常闭辅助触点闭合过程时间为t4,60K1
常闭辅助触点动作后接触器58K7线圈得电，58K7主超导限流器
触点闭合过程时间为t1；从56K4线圈失电触点动作 后，60K3主触点分开过程时间为t3,58K7主触点闭合
过程时间为t1+t4。
正常情况下60K3接通时驱动器励磁电源给
励磁回路提供工作电压在220-260VDC 之间，励
磁电流为0.89A ，当切换切到紧急状态的瞬间时，
驱动器将励磁导通角置为0度，驱动器磁场电源
输出电压为0.9x Uab （Uab 为驱动器AB 相之间
的线电压Uab=400VAC ）为360VDC ；当60K3断开 后，二极管53A2正向导通，励磁线圈放电，线圈
电压降至0V ，时间为t5；进入紧急状态时58K7
接通后，后备电源为24块铅酸阀控蓄电池给励磁
回路提供工作电源，电压范围为24x （12.29-
12.9），即 295-309VDC 之间。
-7
-
查表2可以得出60K3主触点断开过程时间 为t3! (ll-95)-s ,58IK7主触点闭合过程时间为 tl+t4 ! (53-193)ms ,60K3 与 58K7 主触点存在同 时闭合接通的状态；接触器长期使用后造成线圈 得/失电后触点的动作时间变长，使得变桨控制系 统在使用一段时间后才出现问题故障％
ABB 通用型接触器-交/直流线圈AF..Z 系列动作时间
从线圈得电到：常开触点闭合t140…95ms 常闭触点断开t2
38…90ms 从线圈失电到：常开触点断开t311…95ms 常闭触点闭合t4
13…98ms
表2接触器动作时间数据列表
2.3对一次、二次回路的改进处理和采取的
现场措施
确认紧急变桨过程引起驱动器故障原因是由
于接触器动作时间变长之后，对故障变桨系统二 次回路采取了以下措施之一：
措施1：将接触器58K5常开触点移到磁场接
触器58K7线圈前方，这时接触器的动作时间为
t1+t4+t1 ! (93-288)ms；见图 4
马蹄削皮机将接触器58K7的备用常开触点接入接触器
58K4线圈前方，保证电机先励磁线圈得电励磁后
环二肽
电枢回路得电；见图4图4 改进后的变桨距系统二次控制回路原理图
措施2：在一次消磁回路增加放电电阻R1,
使得消磁时间t5能够减短；见图5图5增加放电电阻励磁回路原理图
措施3：更换接触器60K3，保证接触器动作
时间尽可能短。
措施4：在励磁回路增加反向二极管％见图6
p
立反向 二极管
反向 二极管288V 后备电源
+ -
驱动昜励磁电源
F+
F-
Q
Q
5蠶续流V 二极管
图6增加反向二极管励磁回路原理图
根据以上对装置的改进，现装置防止变浆电
机励磁回路短路的能力，至今未发生过紧急变桨废渣4
而引起驱动器损坏的故障％
3结束语
这次由于接触器动作时间变长而引发紧急变
桨过程中驱动器故障造成风力发电机组停机的事 件引入的深入思考：
1.虽然在机组设备运行初期未出现此问题, 但是在生产厂家生产时要考虑到部分电器设备在
一定环境下会随着使用年限增长和次数增多，而
出现设备性能的变化；
2•此次事件的发生提供了一种装置缺陷类
型，其检查过程提供一种思路，可以拓宽思路，考
虑使用年限对设备的影响；
3•此次事件的处理，提供了同类设备运行维 护的经验，在发生同类事件时，对迅速的查明各种
故障原因，缩短事故处理过程，及早恢复机组及相
关设备的运行具有重大意义％
参考文献：
[1]姚兴佳，宋俊•风力发电机组原理与应用•
2009.8(1):86-91
作者简介：
刘乔(1985-)，男，湖南人，工程师，目前从事
风力发电机组售后阶段问题处理％
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