风力发电机电气故障诊断及维修实例分析

风力发电机电气故障诊断及维修实例分析

朱刚1 周艳华2

（1.神华国华江苏风电有限公司；2.江苏省东台市供电公司 江苏东台224200）

Abstract: The wind turbine integrated computer, automatic control, optical fiber communication, the technical achievements of the power frequency converters, servo drives, precision, detection, and new mechanical structure, high flexibility, high precision and a high degree of automation features. In today's energy industry, almost all managers and technical staff have been recognized that wind turbine with conventional forms of electricity generation in alternative energy and environmental protection are unmatched advantage, universal access to wind power technology is the future of human survival and development the only way.

Keywords: wind turbine fault diagnosis maintenance instance

风力发电机综合了电子计算机、自动控制、光纤通信、电力变频变流、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等方面的技术成果，具有高柔性、高精度和高度自动化的特点。在当今能源行业，几乎所有的管理者和技术人员都已经认识到风力发电机在能源替代和环境保护等方面都有着常规发电形式所无法比拟的优势，全面普及风力发电等新能源技术是未来人类生存和发展的必由之路。既然作为一种机电一体化的复杂系统，出现各种各样的故障亦是必然，如何在现场条件下正确、快速地分析故障原因，发现故障部位进而快速处理故障，使故障风机恢复正常投入运行，提高设备的可利用率，是现场维修人员需要深入探讨的问题。

1 风力发电机电气故障的分类

风力发电机的电气故障可按故障的性质、现象、原因或者后果等进行分类。根据故障发生的部位不同，可以分为硬件故障和

软件故障；根据故障出现时有无指示或信息提示，可分为有诊断指示故障和无诊断指示故障；根据故障出现时有无破坏性，可分为破坏性故障和非破坏性故障；根据故障出现的必然性，又可分为系统性故障、随机性故障和提示预警信息等。

2 常见电气故障诊断方法

风力发电机作为一个高度自动化的控制系统，故障现象必然千变万化，其原因往往较复杂，不能简单的以表象来看待。同时，风机控制系统自诊断能力还不能对系统的所有部件进行测试，自控系统具有的人工智能和无形特性，不能将故障原因定位到具体的元器件上，往往是一个故障代码（或子代码消息）指示出众多的故障原因，寅生出许多关联或附带的代码，很难入手。

有经验的维修人员可能通过故障发生时各种异常现象的观察来排除故障，如有无火花、有无异味、有无焦糊味等，将故障范围缩小到一块印刷线路板或一个模块。查看热继电器、熔断器、限位开关等保护类电器是否已动作，通过目测故障线路板、自己检查有无元器件烧坏、开裂等现象，必要时借助于万用表甚至示波器等仪器，从而判定有无过流、过压、短路、超温和正常波形等。还可以用手触摸元器件有无松动，以此检查一些虚焊、断裂问题。这种直接观察的方法可以快速确定故障部位，但对于较复杂的、没有外部异常特征的故障往往无能为力，这时，我们可以采用一些方法，帮助我们分析和排除故障。

（1）部件交换法。所谓部件交换法就是在分析出故障大致起因的情况下，维修人员可以利用备用的印刷电路板、模块、传感器、继电器、集成电路等替换有疑点的部分，甚至用控制系统中已有的相同类型的部件来直接替换，从而把故障范围缩小到印刷线路板单元或芯片一级某一元件。这实际上也是在验证分析的正确性。但在备板替换之前，应仔细检查备板是否完好，备板和原板的故障代码状态是否一致。这包括印刷电路板上的开关、端接端子的设定是否一致，程序版本、功能设臵或硬件参数是否一致，以及可调整器件的位臵都应相同。

（2）接口状态检查法。现代电控系统都将PLC集成于其中，而电控系统与PLC之间则以一系列接口信号形式以某一特定协议相互通讯联接。有些故障是与接口信号错误或丢失相关的，这些接口信号有的可以在相应的接口板和输入输出PLC上有指示灯显示，有的可以通过简单操作在LCD、CRT等人机界面上显示，而所有的接口信号都可以用厂家专用的诊断软件或编程器调出。这种检查方法要求维修人员既要熟悉风机电控系统接口信号，又要熟悉PLC编程器应用和通信协议，更重要的是必须有专用诊断软件和使用授权。

（3）参数调整法。风力发电机的电控系统的PLC及伺服驱动系统都设臵了许多可以修改的参数，以适应不同的运行工况和功能状态要求。这些参数不仅使电气系统与具体风机相匹配，而且更是使风机各项功能达到最佳化所必需的。因此，任何参数的

变化，甚至丢失都是不允许的，尤其是那些模拟量参数和数字使能命令。而随着风机的长期运行所引起的机械或电气性能的变化，会打破机组投运时的最初匹配状态和最佳化状态。

（4）快照分析法。现代风力发电机无一例外都设计有计算机自动化控制系统，故障诊断软件的使用非常有效，风机正常运行时各种动态参数和故障前后的参数变化都是被实时记录的，故障事件数据或事故现场状态重放还具有计算机系统特有的不可抵赖性（数据真实）。风机故障数据快照功能给我们维修处理工作带来很大的方便，通过对风机的运行中和故障前后的电量、非电量数据形成的模拟量和开关量进行分析、甄别，高级维修人员利用测试工具软件可以找出其中的规律成分，便于快速确定故障性质，判别故障范围和具体部件。

只要具有坚强的自信心、缜密的分析思路、正确的诊断步骤及认真的检查测量，借助一定的仪器仪表和自检软件，任何故障都不会难住维修者。

3 维修实例分析

下面针对通用电气风能公司制造的GE1.5型风力发电机系统在运行和维护过程中遇到的三个故障现象进行实例分析和具体处理，为现场维修人员提供故障检查的方法和分析问题的思路。该风机为双馈变速恒频型，水平轴结构，配备了巴赫曼公司M1电控系统和GE公司自行研发的电力变频器和变桨变流器系

统。

实例1：变桨系统故障，#1叶片控制系统冷复位不成功 故障现象：变桨变流器（Converter）内部直流母线滤波电容击穿，报主代码274、144

故障分析：由于复位风机系统时，#1叶片不能回到到待风位臵，而是固定在89度，故将轮毂变桨系统24V直流电源断电，重启后系统自检无效，故障依旧并加报360代码。手操器变桨除#1叶片仍不受控外，#2、#3叶片动作正常。打开#1叶片变桨驱动控制箱，里面散发出浓烈的电子器件焦糊味，但不能确定是何器件故障。检查变桨变流器输出端A1为异常直流36V，T2为正常0V，电网经降压整流后向变桨变流器提供直流电源的接触器K23释放，变桨电机接触器K21释放，电池供电紧急变桨接触器K22释放。测量所有接触器绕组和熔断器均正常，动力回路无短路现象。K21、K22和K23基本回路见图1。

图1 变桨电机直流电源回路

根据K23释放的现象，判断变桨变流器控制板和外围硬件存在异常。因为变流器上电后即进入内部自诊断程序，如变流器软硬件无异常，变流器内部的微处理器即根据变桨主控制器AEPA的使能指令，控制K23吸合，向变流器直流母线预充85V的直流动力电源，K21也在自诊断无异常后吸合，将变桨电机接入变流器输出端，为变桨做准备。K22和K23为二选一逻辑，同一时间只能一个吸合，防止电网提供的85V直流电压误接入电池。由于K23在未吸合情况下，变流器输出端A1即有36V电压，说明内部存在异常。做好安全隔离措施后，拆下变流器组件，打开组件外壳检查，发现直流母线滤波电容击穿2只（电解液溢出），变流器微处理器/场效应管驱动板上标号为C32贴片电解电容烧毁，标号U4（型号IX6R11S3）的贴片集成电路（变流管桥臂驱动电路）管脚全部击穿。

解决方法：更换新的GE变桨变流器组件，检查全部强弱电接插件无异常后送上直流24V、48V以及400V交流电源，变桨系统等待自诊断（代码359），此时不可进行复位操作，等自诊断结束后，AEPA-BPPB板红色故障灯亮，此为变桨控制系统尚未复位，与机舱PLC通信尚未建立同步和授权的现象，在机舱TOP-BOX上按复位按钮后，变桨变流器随即启动，AEPA-BPPB板红色故障灯熄灭，TOP-BOX故障代码消失。进入手动变桨模式，检查三个

叶片角度是否存在误差，如有误差则需对#1叶片调零，消除误差。

实例2：变桨系统故障，三个叶片均手动变桨失败，控制器断电冷复位不成功

故障现象：轮毂中央箱控制板AEPC-BPPB，变桨控制驱动箱AEPA-BPPB板和通信交换机N-Tron508TX不上电（代码274、275、276、359、360）

故障分析：微电子电路的故障检查，工作电源电压检查是首要的项目。根据GE1.5风机原理图和PCB板卡图，由轮毂内控制系统的直流电源供给电路可以看出，变桨系统直流电源电压有85V、48V、24V、15V、5V和3.3V六个等级，有的是单元独立供电，有的是逐级降压稳压供电，单元回路之间还存在有逻辑制约关系。另外，24V电源又分为不可控直供和可控延时两路，检查故障前必须对轮毂直流供电电路的来龙去脉有充分了解。根据故障现象，先测量中央箱AEPC板上插件TB1的#1端子有24V直流电压，说明机舱经滑环送来的P24V电源正常；#3端子上P24SW无电压，说明因变桨存在故障，由安全链提供的电源被关闭了。测量AEPC板J2插件的#17端子电压为0V，继续测量#1叶片变桨控制柜AEPA板J1插件的#17端子电压亦为0V，说明P24SW电源确实丢失。根据直流供电回路原理，P24V和P24SW实际上为同一电源，仅仅存在可控与不可控的区别，见图2。

图2 AEPA板P24和P24SW电源原理

变桨系统之所以设计有可控延时和不可控直供两路电源，是因为模拟电路和数字电路各自具有的时延特性决定的。为了变桨控制系统的一部分电路上电自诊断需要，自诊断程序开始前，某些模拟电路需要提前加电并进入稳态，对各模拟量进行检测，这样可以避免程序控制的数字电路对其进行判断和自诊断时，就不会存在“工作步调不一致”或互相干扰等造成的上电自诊断出错现象。拔下TB1的#1#2#3脚插件，断开机舱送来的24V直流电源，用万用表电阻档测量AEPA板J1插件#17端子对地CCOM（机壳即可）直阻R+约为3.12kΩ，R-约为314kΩ，不能有短路。将万用表打至直流电流档（用A档，而不能用mA档，并根据极性注意测棒的相应转换），先将黑表棒插入AEPA板J1插件#17端子，红表棒插入AEPA板J1插件#1端子，恢复TB1的#1#2#3脚插件，此时AEPC-BPPB板、AEPA-BPPB板和N-Tron508TX通信交换机上绿色LED指示灯点亮，AEPC-BPPB板、AEPA-BPPB板均有红色故障灯亮。注意观察无其它异常后，保留表棒状态，等待3-5分钟。通知机舱内人员在TOP-BOX复位，此时#1号叶片立即变桨转到83度位臵，随即又回转到89度。再次复位后叶片移动

到83度不再变化。

到此可以确定，故障在AEPA板无疑，且肯定是P24SW电源通道或控制电路有异常。为了找到具体故障部位，先复位一次电控系统，然后解除表棒临时供电措施。用万用表电压档测量AEPA板标号为K6A的微型继电器旁的贴片二极管D20两端（因K6A焊脚在AEPA板背面不易测量），正常时应正端C电压为24V，负端A电压约0.8V左右。实测D20正端C为24V，负端A为22V，说明K6A未动作。

继续测量标号为Q8的集成电路#16脚电压为22V，#1脚电压为3.23V，说明Q8内部有损坏。Q8为达林顿功率驱动集成电路，型号ULN2003A，内部集成有7通道达林顿输出电路，K6A即由#1脚和#16脚控制，两脚对地均存在电压，说明该通道内部达林顿管无击穿短路。由于Q8实际只用了6个通道，尚有一个通道4B-4C空着（#4脚和#13脚），决定尝试对其修复利用。这部分电路原理见图3。

图3 达林顿输出电路

解决方法：拆下AEPA板带回风场升压站处理。准备好热风

焊枪（注意热风枪金属护筒必须可靠接地，操作时带上静电释放手环），先焊开下拉电阻R574，不用。然后准备一根直径0.2毫米，长度约5毫米的漆包线或裸铜线，刮好头搪好锡。借助镊子把漆包线弯成“U”形，小心将漆包线焊到Q8的#16-#13脚上，注意焊好的漆包线尾部与其他管脚保留1毫米以上距离。由于Q8的#1、#2、#3脚为驱动输入，在回路上已并联，故#4脚直接用锡与#3脚焊连即可。处理好的AEPA板带到现场重新装回风机上，插好所有插件并检查无误后上电，K6A延时0.5毫秒动作，测量P24SW电源恢复正常。经手动变桨和启机试验，没有发现异常。到此，一段5毫米的漆包线就让价格昂贵的AEPA板起死回生。

实例3：变流器系统故障，复位成功，但并网前自动关机报故障

故障现象：风机启机加速到1150r/min时，网侧接触器吸合，维持不到2秒随即释放，紧急关机回桨，并报故障141，监控子代码241和288。复位后，风机能通过自检再次加速，但再次报出同样故障代码紧急停机

故障分析：由于故障涉及到主变频器，此部分系统软硬件是整个风机的核心，根据GE技术资料描述，风机变频控制器（MACC）、IGBT模块以及主变频器外围部件故障都有可能报141代码，是主变频器九个错误信息集合之一。同时，141代码又可

能引生出296个变频器系统特定的子错误消息（子代码）。因此，根据常规的检查变频器电压、电流、温度、转速等方法，并不适用此类问题。但是，通过就地或远程VISUPRO监控软件查出变频器状态码（CCU status）和子错误信息码（Error code），处理起来相对就显得容易了，基本可以对异常部件具体定位。由故障现象和子代码241、288定义，可以把故障范围局限在AEPS、CROBAR-ROV接触器、AEBA、MACC、AEBI-2以及机侧IGBT功率模块这五部分。子代码241，英文信息缩写“Cell test OCT fail” ，程序数值名称是{R_OCTFail}，信息含义为“单元测试开路试验故障”，即转子单元自动开路测试启动失败，详细原理就是转子侧IGBT功率模块在MACC控制下输出的脉冲电流流过了未动作的CROBAR-ROV接触器，使测量的转子电流与具有宽度和极性的应用脉冲相比较存在差异，这是风机并网前的对主变频器功率单元、电流测量单元和发电机转子绕组的自检过程，只有正确通过自检后风机才能并网。

解决方法：本着先简后难的原则，通过电压和直阻检测、模拟试验和正常板卡替代的方法，逐步排除了CROBAR-ROV接触器、AEBA、MACC、AEBI-2以及电缆插件回路故障的可能性，把故障定位在IGBT功率模块范围之内。因为转子的电流开路自检主要是通过IGBT功率模块完成的，因此需对三相IGBT模块进行仔细的静态测量。GE1.5风机的IGBT模块原理非常简单，由一块三通道IGBT功率模块和少量的外围二极管、电阻器、电容器构成，

转子侧采用了六极，即每相两套IGBT模块。为了便于测量，先拆除各相IGBT模块与直流母排和转子分流器的电气连接（暂不断开冷却管路），然后比照GE公司提供的IGBT直阻检测点和直阻值（转子侧数据应约为网侧数据的一半，稍有离散），发现B相的上下IGBT模块D-S级呈明显的零电阻状态，确定为模块内IGBT或续流二极管击穿短路。接着用专用卡件密封进出冷却管口，用手钳拆除冷却管路，取出IGBT功率模块，装上新的模块，恢复冷却管路，注意千万不可把冷却液洒到模块上。全部安装完毕后，检查各功率通道无短路现象，即可加电试启动。按照GE公司的技术规定，更换新的IGBT功率模块后，需用TOOLBOX工具软件进行人工测试，但在缺少工具软件的情况下，通过变频控制器（MACC）的自检功能，同样可以达到目的。更换新的IGBT功率模块后，首次加电试验启机，如启机成功并网，则故障排除；如启机失败并出现子代码，则禁止再次复位启机，应该断电后继续检查，否则会击穿或炸毁IGBT功率模块。 4结语

由于风力发电机维修是一项技术含量很高的工作，因而对维修人员技术水平和分析能力要求也很高，不但要在电气控制系统、计算机控制系统、自动控制原理上下功夫，还要具备机械、液压以及各种传感器等方面的知识，特别是数字和模拟电路的应用知识，否则，维修工作只能停留在拆拆装装的层次，还有可能

再次损坏新换的配件，甚至扩大故障范围。因此，风电运营公司、风电检修公司以及厂家在现场的运维人员都需要不断总结风机维修经验，积累专业知识，锻炼分析思路，掌握实践技能，建立一支电力电子、计算机软硬件、动力机械等专业维修队伍，特别是提高他们对故障的判别能力及排除故障的处理能力，以最大程度地提高风机设备可利用率，降低运营成本和风险。

参考文献

[1]GE1.5风机电控系统及微电子板卡原理图