01

直流变桨系统电路分析

直流变桨系统有2部分组成，正常情况下由驱动器输出电压大小可调；电压方向（正/负）可调的直流电压，通过接触器3K4加到直流串励变桨电机上。变桨速度及变桨角度跟随主控的控制要求而变化。由主控通过滑环下达变桨指令给变桨控制器来实现的。

主控出现刹车180以上故障时，主控通过硬接线控制变桨系统，切换到电池收桨，通过接触器3K3把电池电压加到变桨电机上。变桨速度不受主控控制，跟随电池电压的大小而变化，变桨角度以叶片收桨到92度安全角度为止。

驱动器变桨接触器4K3与电池收桨接触器3K3在控制电路中是互锁电路，任意一个变桨时刻只能关闭一种的变桨方式才能启动另外的变桨状态。例如驱动器变桨启动时，电池收桨电路必须处于断开状态。或驱动器变桨关闭时，才能启动电池收桨。

1.1 交流（驱动器）变桨

驱动器由400v交流供电和后备电源电池同时供电，400v交流供电正常时，经过400/275自耦变压器；整流桥输出248v建立驱动器直流母线电压，后备电池浮充电压248v，通过一个换向二极管也接到直流母线上，当400v断电或进入低穿小于0.85PU电压时，由电池电压供电。电池供电时间由e-ON低穿电路控制，时间一般为3秒。

1.2 什么情况下驱动器输出接触器3K4吸合？

·快速收桨信号103为高电平或旁路开关信号105为高电平

·电池收桨接触器断开。如果电池收桨接触器粘连，驱动器输出接触器3K4将无法切换，风机启动时，主控会报“旁路开关超时故障”。

·驱动器输出接触器3K4控制电路由UPS供电，当变桨系统ups掉电时，变桨控制器掉电，主控报变桨通讯故障，由主控输出快速收桨信号，无条件激活电池收桨。

·变桨电机短路或发生堵转时，驱动器输出过流，驱动器输出关闭，通过变桨通讯通知主控，主控报驱动器故障，无条件切换为电池快速收桨。

1.3 交流/直流同时给驱动器供电

驱动器输出接触器3K4吸合时，驱动器直流供电接触器4K1吸合，驱动器一方面由400v交流供电；同时也由电池电压供电。当400v交流掉电时，后备电池电压可以给驱动器供电3秒钟。延时3秒后4K1断开，变桨系统切换到电池电压收桨，主控报低穿切除停机。

1.4 交流变桨时变桨电机抱闸控制

驱动器变桨时，变桨电机抱闸控制由主控信号通过滑环通讯传递给变桨控制器，再由变桨控制器输出24v信号控制变桨电机抱闸的松开或关闭。

02

电池收桨电路分析

2.1 电池收桨激活的条件：当主控出现刹车180以上故障时，主控快速收桨信号103为低电平，无条件切断驱动器变桨，如下图所示：103低电平--3K1断开---3K4；3K7断开---4K1断开，因为4K1;3K7断开，3K1;3K4常闭接点闭合，使得电池收桨抱闸继电器3K5吸合---电池收桨主接触器3K3吸合，电池收桨激活，电池电压直接加到变桨电机上，当叶片收桨到92度安全位置时，压断限位开关3S1，从而3K3；3K5断电，叶片停止在92度安全位置。

03

电池收桨失败原因分析

3.1 主控与变桨系统通讯滑环滑道短路，造成主控输出的快速收桨103信号被短路到24v高电平或旁路开关信号105被短路到24v高电平

正常情况下，主控输出的快速收桨103信号为高电平，当主控安全链中断或每周电池测试时，快速收桨103信号为低电平，变桨系统被强制切换到电池收桨电路，叶片通过电池收桨回到92度安全位置。实际运行中，主控与变桨系统的通讯滑环，如果出现环道短路，可能造成主控输出的快速收桨103信号被短路到24v高电平，造成电池收桨失败。

3.2 主控输出的旁路开关105信号被短路到24v高电平

正常情况下，启动电池收桨后，叶片停在92度安全位置，风机启动时，主控要给出10秒钟的高电平旁路开关信号，10秒后旁路开关105信号恢复为低电平，让叶片离开92度停机位置，限位开关继电器3K6吸合，以保证风机可以正常启动。如果滑环出现环道短路，造成主控输出的快速收桨105信号被短路到24v高电平，造成电池收桨失败。

优化改进措施：硬件增加105信号判别，即把105信号反馈到风机主控的一个I/O接口，实时监控105信号电平高低，风机启机12秒后，判别105信号是否是高电平。风机正常启机时，主控会给出10秒钟的旁路开关信号，10秒后105信号会变为低电平，如果启机后12秒，通过硬件检测到105信号维持高电平，说明105信号被短接到高电平，主控刹车52停机，报旁路开关信号错误故障。

3.3 变桨系统故障维修或叶片定检维护时，需要打开叶片维护开关，但叶片维护开关要求3个叶片同时要到限位开关时，才能激活叶片维护开关起作用。现场有可能存在人工短接105信号到高电平的现象。如果105信号没有及时恢复接线，安全链断开情况下有可能造成电池收桨失败。

优化改进措施：同上

3.4 电池收桨接触器主触头损坏，电池电压无法加载到变桨电机上，造成电池电压收桨失败，另一方面电池收桨接触器主触头损坏，变桨电机停转，叶片长时间不能回到92度安全位置压断限位开关，造成电池长时间对电机抱闸供电，因为抱闸电流约为2A左右，充电器输出电流约1A，所以电池收桨失败，叶片长时间不能回到92度安全位置超过8个小时后会把7.2Ah的电池电压放完。优化方案：由于400v断电触发电池电压收桨后，等待60秒停止电池抱闸供电，同时切断电池电压收桨。

3.5 电池缺电造成收桨失败

电池内阻增大，启动电池收桨后，电池放不出电来，无法驱动变桨电机。例如：当电池电压下降到80v以下时，快速收桨接触器3K3电磁线圈吸合不足，可能出现频繁吸合-断开现象，最后烧毁3K3接触器。

当变桨系统后备电源没有电而变桨400v交流电源有电情况下，通过主控优化可以实现电池收桨失败切换回到交流收桨控制。

当电池收桨失败切换为交流；如果电池收桨失败同时驱动器收桨失败，则开始启动应急偏航。

3.6 变桨电机堵转；变桨电机绕组损坏造成收桨失败

变桨电机轴承卡死或变桨齿轮箱断齿或被叶片紧固螺栓脱落会造成变桨电机堵转卡死，造成收桨失败。

变桨电机集电环碳粉堆积会造成转子绕组或定子绕组绝缘损坏或变桨电机抱闸刹车片间隙太小，造成收桨失败。

3.7 电池收桨控制电路限位开关断线

叶片实际没有收桨到92度安全位置，但限位开关断线造成变桨电机停转。

04

直流变桨系统的可靠性分析

从上述变桨系统电路及收桨失败原因分析可以得出

4.1 主控已经给出快速收桨信号，但由于滑环滑道短路造成快速收桨信号103或旁路开关信号105短接到高电平，而无法启动电池收桨，造成电池收桨失败。

4.2 变桨系统后备电源缺电。例如滑环400v供电滑道短路造成400v供电接触器跳闸，同时电池电压小于100v，电池收桨接触器无法吸合，造成电池收桨失败。

4.3 驱动器输出主接触器当变桨电机短路或堵转时会造成主触点过流粘连；接触器线圈烧毁等问题，造成某一支叶片收桨失败，但同一时间很难遇到3支叶片主接触器触点同时粘连的情况发生。预防措施：一般情况下，发生接触器主触头粘连故障时，肯定会报电池测试失败故障。必须上机检明电池测试失败原因，修复故障后才允许并网运行。监控室要人工登记电池测试失败故障，复位启机必须有风场领导或检修班长的签字（或电话同意）确认。

4.5 变桨电机短路或机械原因堵转。会引起叶片收桨失败，但同一时间很难遇到3支叶片变桨电机都出现变桨电机短路或机械原因堵转的状况。

05

直流变桨系统叶片收桨失败原因及优化改进措施

5.1 变桨系统电源对叶片收桨失败的影响

直流变桨系统有3路供电：

由机舱通过空气开关给变桨系统提供400v交流电源，当滑环400v滑道短路时，空气开关有可能过流跳闸，造成机舱给变桨系统的400v交流电源供电中断。

来自机舱的ups电源给变桨控制系统供电，断开轮毂的ups供电后，变桨控制器断电会立即激活变桨通讯故障，主控给出快速收桨信号，从而激活电池快速收桨。

直流变桨系统自带后备电源。后备电源一般由蓄电池或超级电容构成。

电池组由18个12v/7.2Ah蓄电池串联供电，充满电的情况下可以收桨（0到92度）30次以上。

超级电容供电一般由3-5个超级电容器模组串联而成，收桨能力一般为2次最多3次。因此蓄电池的收桨能力一般是超级电容的10倍以上。但电池不耐低温要求电池表面温度必须＞5度以上才能正常工作，而超级电容的优点就是耐低温，特别适合环境温度小于5度的三北地区。超级电容的成本一般是电池成本的6倍以上。

变桨系统的电源对叶片收桨是否成功影响很大，根据现场经验可以总结以下4种情况：

·变桨400v交流电源断电；同时电池电压缺电，

这种情况下应尽快启动应急偏航。例如滑环400v滑道短路400v开关跳闸，启动电池收桨后，电池又缺电就会出现这种情况。

·变桨400v交流电源断电；电池有电但无法启动电池收桨，

例如滑环400v滑道短路造成400v开关跳闸，同时滑环短路造成快速收桨信号被短路到高电平，无法启动电池收桨。

解决办法：主控程序优化，快速收桨指令一方面通过硬件电路给出，另外一方面通过软件通讯给出。变桨控制器收到快速电池收桨指令后，如果1秒钟内没有激活电池收桨，则由变桨控制器输出继电器信号激活电池收桨。

·变桨400v交流电源有电；但电池没有电，例如变桨通讯故障激活电池收桨但电池缺电造成收桨失败，这个时候叶片收桨失败，风机必然超速。发电机转速超过额定转速后变桨系统会自动启动rpm-ok电路启动驱动器收桨。

·变桨400v交流电源有电；电池也有电，快速收桨信号无法启动，例如快速收桨信号103被短路到高电平，或旁路开关信号被短路到高电平，启动应急偏航。

5.2 变桨电机堵转发生时的优化改进措施

例如变桨电机轴承卡死问题，会造成变桨电机堵转，当驱动器故障切换到电池收桨后，会把电池收桨相关电路1F1热继电器；电池供电电缆烧断；变桨电池等烧毁等严重故障，由于备件比较特殊，恢复故障非常困难。

解决办法：①需要主控程序做优化改进：修改驱动器故障代码：只有当2个以上或3个驱动器同时报驱动器故障时刻，主控才激活电池收桨，只有一个驱动器故障时，按刹车52或刹车75停机，发生驱动器故障的那支叶片，就地停止转动，其他2个叶片按交流收桨正常收桨到92度安全位置。这样做可以解决变桨电机轴承卡死造成的电池回路烧毁问题！

②第二个解决办法是实施直改交方案，把直流变桨系统改为交流变桨系统，采用交流变桨电机，驱动器驱动。变桨电机发生堵转时，根据变桨电机过载电流的大小自动关闭电流输出，保护驱动器及变桨电机机械传动系统。

5.3 直流变桨系统改造为交流变桨系统（直改交）的意义

·驱动器变桨/电池收桨主电路取消了接触器等有触点部件，直接由驱动器电力电子开关代替接触器，从根本上解决了接触器触点粘连问题，提高了主电路的可靠性。

·变桨电机抱闸控制电路取消了中间继电器，直接由驱动器输出抱闸信号，从根本上解决了电机抱闸电路继电器触点粘连或继电器线圈烧坏等问题，提高了抱闸电路的可靠性。

·紧急状态下，电池收桨速度是不可控制的，采用交流变桨后，驱动器收桨速度可以控制，显著降低风机的动态载荷。

·变桨电机采用交流电机，取消了直流变桨电机有触点摩擦的集电环部件。解决高海拔；高湿度环境下碳粉堆积，电机绕组对地短路等问题。

·交流变桨系统中，400v交流电源与变桨系统后备电源同时给驱动器供电，实现了交流电源优先后备电源供电的策略，避免了交流电源有电情况下，因后备电源缺电而出现的叶片收桨失败故障。

·变桨电机的角度测量采用抗振动；抗沙尘污染；抗电磁干扰的旋变方式，取消了绝对值增量编码器，变桨角度检测的可靠性显著提高。

5.4 直流变桨系统后备电源超级电容改造的意义

·超级电容模组耐低温，可以稳定工作在（-35~+50度）环境下，蓄电池对环境温度要求大于5度以上。

·超级电容后备电源充电器按3个充电器设计，充电器的可靠性显著提高，直流变桨系统电池充电器只有一个。

·超级电容后备电源一般可以驱动2次快速收桨，蓄电池收桨能力可以支持收桨30次以上。

·超级电容后备电源一套成本6万元左右，蓄电池成本一套1万元左右。

5.5 蓄电池后备电源的改造

·增加电池电压检测电路，启动电池电压收桨过程中实时测量电池电压。增加的电池电压检测电路负责模数转换及采样，电池电压转换为数字信号再通过变桨通讯上传给主控，修改scda系统同时优化主控程序后可以实时显示；监控电池电压的大小。

·增加电池柜温度监控，只有电池柜温度＞5度，才允许风机启机运行。

·主控程序优化，增加电池收桨次数监控，提高电池后备电源的可靠性。

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结论

为提高直流变桨系统的安全性，降低用户的运维成本，有以下几种优化改进方案：

6.1环境温度小于零度的三北地区，可以考虑选择超级电容改造方案。充电器扩展到3个充电器，超级电容耐-40度以下低温，后备电源可靠性可以显著提高。

或选择直改交+超级电容方案，可以解决直流变桨电机碳粉堆积问题等问题，为可靠性最优方案，但成本较高。

6.2沿海或南方云贵川等高海拔高湿度等地区，可以考虑保留电池供电方案增加电池电压实时监控。为解决高海拔变桨电机绕组绝缘问题及高湿度环境下碳粉堆积问题，建议采用直改交方案+电池供电改造方案。可靠性与成本可以获得最佳性价比。

6.3 直流变桨系统变桨电机堵转发生时的优化改进措施

要求主控程序做优化改进：修改驱动器故障代码：只有当2个以上或3个驱动器同时报驱动器故障时刻，主控才激活电池电压收桨，只有一个驱动器故障时，按刹车52或刹车75停机，发生驱动器故障的那支叶片，就地停止转动，其他2个叶片按交流收桨正常收桨到92度安全位置。这样做可以解决变桨电机轴承卡死造成的电池回路烧毁问题！

6.4 主控增加旁路开关信号监测

风机变桨系统故障维修或叶片定检维护时，需要打开叶片维护开关，但叶片维护开关要求3个叶片同时要到限位开关时，才能激活叶片维护开关起作用。如果变桨系统92度限位开关调整不合适，会出现叶片维护开关无法激活的问题，现场有可能存在人工短接105信号到高电平的现象，如果105信号没有及时恢复接线或滑环滑道短路造成旁路开关信号被短接到高电平，安全链断开情况下有可能造成电池收桨失败。优化改进措施是主控增加旁路开关105信号的实时监测。