Repower 1.5MW风力机组直流串励变桨系统设计理念解析

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

1 介绍

变桨系统是风力机组的主刹车系统，对兆瓦级风力机组来说，收桨系统保证风力机组运行安全最重要的环节。本文从实践出发，分不同的状况和条件对不同类型的变桨系统设计理念进行解析。

2 直流串励变桨系统的优越性

在通常情况下，直流变桨电机收桨系统的成本远高于交流变桨电机收桨系统的成本。Repower系列1.5MW风力机组从保证机组安全方面考虑，采用高成本的直流串励变桨电机收桨系统。

直流串励变桨电机的收桨系统的优点：

第一，直流变桨电机的收桨系统安全性高。

从风力机组安全方面来看，交流变桨电机的收桨系统与直流串励变桨电机的变桨系统相比，前者的安全性低于后者。交流变桨电机的变桨系统，在电池顺桨时，必须经过轮毂驱动器把直流逆变成交流，然后再送到交流变桨电机，从而增加了一个逆变环节，电池顺桨时的故障几率增加；直流收桨系统减少了直流转交流逆变的环节，从而使电池收桨的故障几率降低，提高风力机组的安全性。

另外，当电池收桨控制回路故障时，在风机故障的情况下，还可能通过：电池（或交流400V）—接触器—轮毂驱动器—直流变桨电机，使叶片达到安全位置。提高了风力机组的安全性。

第二，直流串励变桨电机的收桨系统不存在消磁问题。

交流异步变桨电机的体积重量与直流串励变桨电机基本一致。直流永磁和交流永磁变桨电机存在高温和振动条件下退磁问题，某些廉价的变桨电机可能在140℃就会退磁。在风场大风天气变桨电机达到140℃较为常见，如遇到变桨轴承润滑不良，异物卡住变桨电机的温度可能上升到更高，从而使变桨电机磁场减弱，收桨能力减弱，危及风力机组安全；而直流串励电机的磁场是由线圈电流提供，因此不存在退磁、消磁问题。

所以，直流串励变桨系统，不仅安全性高，而且性能长久稳定可靠。

3 直流变桨系统的重大安全性故障分析

3.1 状态码1159故障的来源和故障处理

Mita控制器的状态码1159故障，存在此故障时，一般可以通过非正常手段起机，如果风力机组不出现电池顺桨，或电池检测，风力机组的并网运行后与正常风力机组没有任何区别。

此状态码的含义是：风力机组控制器发出信号M521变为0后，在风力机组控制器的输入端口M129没有接收到信号，不能变为1。在电池检测时，三支叶片应该在预定的时间达到限位开关（M129变为1），但是，由于风力机组故障叶片达到限位开关的时间过长，或者是不能达到限位开关位置，风力机组就会报此故障。

在出现以上现象时，可能是由于某支叶片故障造成叶片在电池顺桨时，一支叶片不能达到限位开关位置。对于这种情况，很容易被现场人员理解和发现，处理故障的方法也较为容易。这种情况要一支以上甚至三支叶片同时不能顺桨，其概率极小。

但还可能是由于电池顺桨的控制回路，或旁路限位开关的控制回路被强行供电，在控制器发出电池顺桨信号后，上述回路不能断电，致使叶片不能通过正常的电池顺桨回路进行收桨。风力机组按照控制器程序三支叶片都通过轮毂驱动器的交流供电使叶片回到90°位置，此时三支叶片都不能达到限位开关位置， 控制器的输入端口M129就不能变为1，所以，会报1159状态码。

在正常情况下的电池顺桨是：电池→接触器→变桨电机回桨，这种收桨方式，只受风力机组的硬件控制，而与轮毂控制器和风力机组控制器的软件设置无关。

风力机组有此故障时，在变桨通讯和交流400V供电正常的情况下，风力机组控制器要求电池顺桨时，可以通过：交流400V→接触器→轮毂驱动器→变桨电机，进行回桨。受风力机组控制器WP3100控制三支叶片准确地回到90°，因风力机组的叶片不能撞到限位开关，报1159故障。此时风力机组虽然能够通过另外的方式执行紧急顺桨，但存在重大的安全隐患，还存在飞车的危险。调试人员检查和处理此类故障也存在一定的难度。对于这种故障应该引起高度重视。

从现场的故障处理经验来看，这种故障的来源可能来自于：风力机组控制柜、轮毂的生产接线；风力机组运行过程中产生的故障；调试人员不适当的故障处理方式；在风力机组维护过程中，要紧固叶片螺栓，转动叶片，但是，由于风力机组控制柜的叶片维护开关坏，或者是没有叶片维护开关的钥匙，维护人员强行给电池顺桨的控制回路，或旁路限位开关的控制回路提供直流24V，在叶片维护完毕后，没有把线路还原，从而造成风力机组要求电池顺桨时，叶片不能按正常的电池顺桨回路进行顺桨。

3.2 存在状态码1159故障对风力机组安全的危害①

由于控制回路故障而报1159的风力机组，如不及时处理让其运行，当风力机组故障停机需要电池顺桨时，可能出现以下三种状况：变桨通讯故障下的电池顺桨；轮毂的交流供电故障时的电池顺桨；以上这两种情况以外的电池顺桨。

下面就这三种情况予以具体分析：

（1）存在1159故障，在风力机组运行过程中，报变桨通讯故障，这种情况会导致风力机组三只叶片同时不能收回

此时的风力机组运行状态最危险。下面以LUST轮毂为例，对其运行状态进行说明，而SSB轮毂的情况与此类似。

当风力机组处于非变桨状态，叶片是一直处于0°位置。在报变桨通讯故障后，由于存在1159故障，造成轮毂轴控柜3K1一直处于吸合状态，风力机组不能切换到正常的电池顺桨回路进行顺桨，并且，轮毂控制器L&B的A1.5、A2.5、A3.5分别是三叶片在风力机组运行过程中解开变桨电机电器刹车的控制信号，叶片停止在某一角度超过三十秒不变，轮毂控制器这三个端口的24V供电断开，三个轴控柜的接触器3K2断开，轴控柜的3K7和3K5都不能吸合。由于在变桨通讯故障，轮毂控制器不能得到解开电器刹车的指令，因此，三个轮毂电机的电器刹车就不能解开，三支叶片同时不能收回。

风力机组正在启机过程中，或者是并网风力机组所需要的能量小于风提供的能量时，风力机组就处于变桨状态。风力机组在报变桨通讯故障后，由于存在1159故障，造成轮毂轴控柜3K1一直处于吸合状态，风力机组不能切换到正常的电池进行顺桨，此时的变桨电机电器刹车虽然已经解开，但是，轮毂的变桨电机处于伺服状态，由于变桨通讯故障，轮毂控制器没有接收到角度变化指令，三叶片的角度均保持不变，所以，三支叶片同时不能变化或顺桨。

在一般情况下，并网风力机组由于风力机组故障而脱网，风力机组甩负荷，风力机组所受的阻力减小，并且，三支叶片同时不能顺桨，风力机组转速会迅速上升，当风力机组转速超过超速模块（Pitch run away）的设定值时，超速模块动作，通过控制柜超速模块到轮毂的接线，把信号传送到轮毂控制器，此时，轮毂控制器不再执行风力机组控制器的指令，只按轮毂控制器的程序执行，通过轮毂驱动器的交流供电使风力机组收桨，三支叶片都回到90°位置，也能保证风力机组安全。

但是，如果再有超速模块线路故障，或轮毂400V供电跳闸等，势必造成三支叶片不能同时顺桨，在风速足够大时，严重危及风机安全。

（2）风力机组在运行过程中，没有报变桨通讯故障，轮毂驱动器供电的交流400V断开或不正常。可能由于电网故障，或者是由于风力机组的其他故障，例如：接触器跳闸，从而造成轮毂的400V交流供电的不正常或断开。

（a）对于SSB轮毂，风力机组能通过轮毂驱动器进行电池顺桨。

当风机处于非变桨状态超过30s，变桨电机刹车器闭合。运行风力机组电池顺桨时， 对于SSB轮毂，由于轮毂400V交流供电有问题，变桨电机的刹车器通过轮毂轴控柜的电压检测模块切换电池供电状态，变桨电机刹车器解开，轮毂驱动器通过内部切换转换成电池供电状态，风力机组达到轮毂驱动器的电池顺桨。

当风力机组的变桨电机刹车器处于解开状态（例如：风力机组处于变桨过程中），由于轮毂供电故障，变桨电机的刹车器通过轮毂轴控柜的电压检测模块，把变桨电机刹车器的供电由交流供电切换到电池供电状态。使变桨电机的刹车器仍然处于解开状态，轮毂驱动器通过内部切换转换成电池供电状态，风力机组达到轮毂驱动器的电池顺桨。

对于以上的两种情况，只要轮毂轴控柜延时继电器5K2的时间设置适当，可以通过轮毂驱动直接把电池切换到轮毂电机，进行轮毂驱动器的电池顺桨，并且，风力机组的三支桨叶都能回到的限位开关位置，所以，一般情况下，对风力机组安全没有太大影响。

（b）对LUST轮毂，可以解开变桨电机的电器刹车，但是，轮毂驱动器内部不能切换到直流供电状态或者三支叶片同时不能顺桨。

当风力机组故障，电池顺桨时，风力机组处于变桨过程中，变桨电机的电器刹车解开过程如下：

1159故障致使轴控柜的3K1一直处于吸合状态，当轮毂供电的400V交流供电断开时，轴控柜电压检测模块1A2使4K3断开，又由于风力机组一直处于变桨状态，轮毂控制器L&B的A1.5、A2.5、A3.5的这三个端口给出24V供电，所以，三轴控柜的3K2处于吸合状态，轴控柜3K7吸合，然后，解开变桨电机电器刹车的电池供电接触器3K5和交流供电接触器3K7都处于吸合状态，这时，解开变桨电机的电器刹车，既能由电池供电，也能用交流供电，变桨电机的电器刹车也是这样解开的。

此时，交流400V已经断开，只能由电池供电解开变桨电机的电器刹车，风力机组的三支叶片可以随着重力和风力而转动。即便是轮毂驱动器不能通过内部把轮毂电池通过驱动器直接切换到轮毂变桨电机，虽然，三支叶片不能完全顺桨，已经把变桨电机的电器刹车解开，使三支叶片偏离迎风面的位置，从而减少了风力机组飞车的危险。

风力机组处于非变桨状态，变桨电机的刹车器闭合。当风力机组故障紧急顺桨时，对LUST轮毂来说，如果风力机组在运行过程中，变桨电机刹车器处于闭合状态，此时的轮毂控制器L&B的A1.5、A2.5、A3.5的这三个端口24V供电断开，所以，三轴控柜的3K2处于断开状态，解开变桨电机电器刹车的电池供电接触器3K5和交流供电接触器3K7都处于断开状态，这时，变桨电机的电器刹车闭合，当风力机组故障时，风机控制器给轮毂控制器发出信号，三轴控柜的3K2吸合，风力机组通过电池供电解开变桨电机刹车器，但是，轮毂电机不能供电，三叶片不能完全顺桨。

（3）存在1159故障，在变桨通讯和轮毂驱动器的交流400V供电正常的情况下，运行风力机组故障，紧急顺桨时，由风力机组控制器的程序设定使三支叶片都回到90°位置

由于风力机组故障不能切换到正常的电池顺桨回路，在变桨通讯和变桨电机的交流供电都正常的情况下，风力机组通过外界供电，按照Mita控制器的程序执行使三支叶片都回到90°位置。这种情况，一般不会对风力机组安全造成重大影响，但是，发现故障后应及时处理。

综上所述，无论是对于LUST轮毂，还是SSB轮毂，当Mita风力机组控制器报状态码1159故障时，应高度重视，及时处理，否则将可能严重危及风力机组的运行安全。

4 Mita控制器WP3100刹车190程序分析

Mita控制器WP3100的风力机组，当出现刹车190故障时，叶轮执行电池顺桨，同时主轴刹车器动作。即便是叶片不能回到92°限位开关位置，主轴刹车器也会在30s之后自动解开。

风力机组在运行过程中，如果风力机组故障，三叶片同时不能顺桨，此时风力机组控制器会报变桨速度太慢，刹车程序190，主轴刹车器动作，风力机组因主轴刹车器的保护作用可以使风力机组完全停下来，但是，在风力机组停下来之后，超过30s，风力机组的主轴刹车器会自动松开，此时，由于风的作用，风轮再次迅速旋转起来，在风速足够大的情况下，可以使风力机组迅速飞车。

此时，由于风力机组已经存在故障，风轮旋转起来后不可能并网，风力机组所受的阻力很小，风机迅速超速，当主轴刹车器再次动作时，不仅风机不能停下来，而且，由于刹车器的作用可能造成巨大的热量和火化，从而造成风力机组起火、倒塌事故的发生。

5 结论

通过上述分析可知，Repower系列1.5MW风力机组的设计完善，有多重安全保护措施，只要风力机组的生产、安装、接线，启机、调试和维护都严格按照规程进行，有故障及时排除，尤其是当风力机组存在安全隐患时，不排除隐患决不启机，风力机组的飞车、倒塌事故是完全可以避免的。这也是经过Repower厂家长期的运行实践所证实了的。

①注：本文的所列图号都是取自于Repower1.5MW风力机组的SSB和LUST的电气元件号。