风力发电机组变桨系统超级电容高电压故障分析

0 引言

根据桨叶接受风能的功率调节方式，可将风电机组分为定桨距机组和变桨距机组。定桨距机组桨叶与轮毂是刚性连接，风速变化时桨叶的迎风角度不能变化。而变桨距机组叶片可以旋转，当风速超过额定风速后，可通过控制叶片桨叶角使风机输出功率保持在额定功率附近[1]。低于额定功率时，保持叶片角度在最小值，使风机处于最大吸收风能状态。变桨控制柜主电路采用交流-直流-交流结构，变桨电机由逆变器供电，变桨速率由变桨电机转速调节。每个叶片的变桨控制柜都配备一套由超级电容组成的备用电源，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，超级电容储备的能量足以保证叶片以一定速度从0°顺桨到90°位置。Vensys变桨系统由3个柜子组成，每个柜子都是一套独立的控制系统，当超级电容电压高于软件设定值时，主控制器会控制机组停机[2]。

选取2014年5月～2015年10月医院收治的心内科老年患者100例作为研究对象。其中，男60例，女40例，年龄60～83岁，平均年龄（68.26±3.98）岁。除此之外需要确定选取的100名老年患者在入院时均经过临床检查别确诊为心内科病症。

本文以内蒙古某风电场为例，针对变桨电容高电压故障进行分析，该风场机组配置Vensys/1500变桨系统和Switch变流系统。

1 故障描述

2016年5月15日，内蒙古某风电场 #32风机运行过程中， #1变桨柜报变桨电容高电压持续5 s低于54 V(设定值)，机组停机复位后恢复正常。再次启动后，在风机监控界面进行观察，机组变桨过程中 #1柜的变桨电容高电压低于54 V，机组再次报出“变桨电容高电压故障”，当变桨桨叶恢复到87.5°位置时，变桨电容电压也恢复正常。

2 原因分析

现场技术人员对变桨电容高电压故障进行了分析，总结有以下几种原因[3-4]。

(3)监测超级电容电压的A10自制模块损坏或线路虚接。

基坑支护设计应和地下室结构设计同步进行，进行基坑支护需要提前做好防水帷幕，为地下室施工提供安全可靠的施工环境。另外，应根据相关规范要求确定基坑开挖和打桩的先后顺序，全面考察周边建筑物、构筑物和整体作业环境，对于一些不利因素，应采取一定的安全防护措施。

(1)超级电容输出电压不正常。

现场技术人员首先检查变桨充电器，对 #1变桨柜进行连续手动变桨，变桨过程中，通过观察和测量，变桨充电器到变桨电容的输出电压正常，电磁刹车反应灵敏、打开迅速，变桨速度正常，故排除变桨充电器和电磁刹车故障的可能性。若上述两点均正常，应考虑超级电容电压输出是否正常：频繁的变桨过程中，超级电容的电压不能达到正常值；或内部个别电容损坏，使变桨柜内超级电容电压在不工作时显示正常，而在变桨的过程中损坏的电容电压急速下降。为进一步判断超级电容的好坏，现场进行频繁的手动变桨，将万用表笔接测量变桨电容的监测端子，变桨电容的高电压保持在56 V以上，低电压保持在28 V以上，排除变桨电容损坏的可能性。

(5)电磁刹车继电器、电磁刹车动作不灵敏，导致电容充电没有放电快。

图1为变桨电容电压监测模块内部电路图[5]，从图1可以看出，电压检测经过A10的分压后，输出电压约等于输入电压的1/10，即6 V和3 V左右，输入到KL3404模块，再经内部程序计算将电压值放大10倍，显示在风机内监控界面上。对A10自制模块的输出端子进行测量，高电压显示值为5.6 V，低电压显示值为2.8 V，经A10模块检测输出的电压和输入电压正常。再检测KL3404模块，检查接地系统，未发现问题，手动变桨仍报变桨电容高电压故障[6-7]。

(2)超级电容损坏。

3 故障处理

(4)接收电容电压的模拟量输入信号模块KL3404(A5)损坏。

(6)干扰引起监测电容电压信号跳变。

  

图1 A10模块电路

此故障存在两个疑问：(1)仔细检查后未发现任何问题，但变桨过程中仍报出此故障；(2)桨叶未动作时，检测A10模块电压全部正常。通过上述分析，判断只有在工作状态时，桨叶变桨电容电压存在问题[8]。重新检测变桨电容电压，手动变桨时，A10模块的输出端电压3 s后低于54 V，停止变桨后，电压恢复正常。因此，最终找到问题根源，将超级电容更换后，机组恢复正常运行，未再报出类似故障。

4 结束语

此类故障的疑难点在于，机组变桨过程中高电压低于54 V，报故障后变桨电容高电压恢复正常，短时间较难判断故障点，需要进行逐步排查。在处理过程中需要求技术人员细心、谨慎、认真剖析故障，减少处理故障时间，从而提高机组发电量，保证机组的可利用率。

本次研究所涉及到的数据都通过SPSS18.0进行统计分析，计量资料表示为±s，进行t检验；计数资料表示为百分率（%），予以χ2检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。

曾有过一个整天乐呵呵的同事，他常说：“不要和孩子们较真，孩子毕竟是孩子，哪有不犯错的，要不然还要我们这些老师干嘛？”细想之，确实如此。

参考文献：

[1]张希良.风能开发利用[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]李富荣.邓建军.金风1 500 kW系列风力发电机组运行维护手册：Q/JF 2SJ77/1500SM.16—2007[S].

[3]崔裔飞，杜志伟.金风1 500 kW机组电控部分原理介绍[Z].

[4]姚兴佳,宋俊.风力发电机组原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[5]宫靖远,贺德馨,孙如林.风电场工程技术手册[M].北京：中国电力出版社，2003.

[6]苏绍禹.风力发电机设计与运行维护[M].北京：中国电力出版社，2003.

[7]韦恩·基尔柯林斯.风电场运维与风力发电机维护及保养[M].纪志帅，劳德洪，译.北京：机械工业出版社，2016.

[8]周东华，叶银忠.现代故障诊断与容错控制[M].北京：清华大学出版社，2000.