风电机组UPS运行原理及故障处理分析

风电机组UPS运行原理及故障处理分析

殷宗林

（国华爱依斯（黄骅）风电有限公司河北省黄骅市061100）

摘要：国华爱依斯（黄骅）风电场共安装有66台华锐SL1500型风电机组，在实际运行中发现，多台机组频繁报出交流UPS故障，甚至较多机组UPS在大约在1年左右就会损坏，不仅严重影响了机组的正常运行，还导致机组丧失了低电压穿越能力，给机组运行造成安全隐患。现场人员通过大量检查及研究发现UPS损坏原因多为内部电池性能丧失，少数故障为UPS系统线路及其它元器件老化损坏导致。本文针对风电机组UPS故障，介绍了风电机组UPS故障点的排查方法，并对故障原因进行分析，其中故障的判断方法和解决方案对同类型故障的处理有一定的借鉴意义。

关键词：风力发电；风电机组UPS：故障原因分析；国华爱依斯；华锐SL1500机组

1.引言

在华锐1.5WM双馈机组的设计理念中，当有电网掉电的情况发生时，由机舱后备UPS电池为整个系统供电，实现了桨叶的顺桨和PLC的持续得电运行。但是在实际运行中发现部分机组在电网恢复后出现电池电压过低，机组后备UPS电池严重馈电的问题，导致风机故障停机或电池充电时间过长不能及时恢复发电，严重影响了机组的发电量。且机组在运行中经常报230VAC交流UPS故障，很多机组交流UPS在运行1年左右就会损坏，导致机组丧失低电压穿越能力，严重影响了机组的正常运行，并且因UPS价格较高，给风电场带来了很高的运行成本和安全隐患。希望通过此文中的相关风电机组UPS原理及故障处理分析，能对以后处理同类型问题有着启发补充作用。

2．风电机组UPS系统运行原理

风力发电机的UPS是保证机组具有低穿功能的重要部件，当电网电压突然跌落时，UPS持续供电使风力发电机具有保持一段时间不脱网的能力。因为一但发生电网波动，风机假如不具备低电压穿越，会导致整片风机全部同一时间脱网，会导致电网更大的波动，从而导致大面积停电事故。同时在电网掉电时风电机组UPS持续为系统供电也避免了风机飞车的危险。UPS对风机稳定运行与避免事故产生有着重要作用，保证UPS功能良好与UPS电池容量的充足对机组至关重要。

风电机组UPS系统分为机舱后备UPS电池、230VAC交流UPS及塔基UPS电源三个部分。

2.1.机舱后备UPS电池工作原理：

机舱后备UPS电池主要部件为电池箱内的铅酸电池，主要负责在电网掉电时给变桨系统供电，实现桨叶的安全回桨，避免飞车。在华锐ABB控制系统中，该电池还负责在电网掉电情况下给机舱控制系统供电，保证PLC不因电网掉电而立刻停止运行。

电网正常时，系统通过对相应继电器、接触器的控制实现对电池的充放电、测试以及电压检测。当电网掉电时，系统通过对掉电接触器的控制，实现电池系统与变桨系统的延时脱开，保证在电网掉电后的一段时间内由电池提供能量完成收桨动作。并最终完成电池与变桨系统的分离、电池与主控系统的分离，实现机组停机断电。

图1机舱后备UPS电池为系统供电原理图

2.2.230AV交流UPS电源工作原理：

230VAC交流UPS的主要组成部分主要由逆变器、蓄电池、整流器／充电器和转换开关等组成。逆变器主要由晶体三极管、变压器和控制回路等组成，其作用是变直流为交流输出，它是UPS的核心部分，UPS的技术性能、质量主要取决于它。蓄电池是UPS储能装置。UPS中的蓄电池应具有良好的大电流放电特性，能经得住反复地充放电，寿命要长，目前UPS常用的是免维护密封式铅酸蓄电池。整流器／充电器是把市电变成直流电，为逆变器和蓄电池提供电能的装置。转换开关（静态开关）的作用是通过瞬时的高速检测回路，当市电有干扰或出现大的浪涌时，把UPS迅速转到旁路输出，以保护UPS；它的第二个作用是提供维修通道。对转换开关要求切换时间快、过载能力大。

下图为230VAC交流UPS内部电能流程图，当风机230V供电正常时，风机230V电经过电源变压器、整流器后，一路经逆变器、滤波器输出至风机负载元器件，另一路经充电回路向蓄电池组充电；当风机230V电中断时，蓄电池组端电压低于设定值或逆变器故障时，风机230V电就通过旁路支路经转换开关、滤波器向负载供电。由此可见，不管风机230V正常或中断，UPS的逆变器总是在工作。

图2风电用230VAC交流UPS内部电能流程原理图

2.2.1.华锐ABB机组控制柜UPS系统控制原理

华锐SL1500双馈机组ABB控制系统上使用的UPS电源品牌为EAST或APC，两种品牌的电源其工作原理、启动控制方式相同，因此只以EAST生产的UPS为准。

图3为UPS电源在机组上的电路连接图纸，从图中可以看出UPS电源的输入为230V交流电压，输出同样是230V交流。UPS电源输入端的230V交流电进入UPS后由其内部的整流装置转化为直流电后一方面给UPS内部铅酸铝蓄电池充电，另一方面给内部的逆变装置供电，再经过逆变装置将直流电逆变成交流电后，通过UPS的输出端口给外接线路供电。

其启动、停止是通过控制UPS启动和停止的开关为图中的“ON”、“OFF”两个触点动作来实现的。当继电器K134.7得电工作，其触点15与18闭合后，UPS启动工作。当继电器K248.5得电工作，其触点11与14闭合后，UPS停止工作。

图3ABB机组使用230VAC交流UPS（EAST）外部接线图

2.2.2.华锐Bachmann机组控制柜UPS系统控制原理

华锐Bachmann机组上使用的控制柜UPS电源为Weidmuller24V直流电源。该电源由蓄电池、整流器、转换开关组成，其工作原理与普通UPS电源大致相同。

下图4为UPS电源在Bachmann控制系统中外部线路接线图，其中转换开关需要对放电时间、放电电流参数进行设置（如下图5）。通常情况下将发电时间设置为15分钟，放电电流大于等于12A，

图4Bachmann机组使用UPS电源外部接线电路图

图5Bachmann机组控制柜UPS系统所使用控制开关

2.3.塔基UPS工作原理：

塔基UPS电源主要部件为外设电池及UPS电源主体，塔基230V电源与外设电池同时为UPS电源主体供电。当塔基230V掉电时，只有外设电池持续为塔基UPS主体供电。塔基UPS主体输出24V电压保证塔基PLC及交换机等元件不立刻失电，主控PLC能够发出电网掉电后的相应动作指令，实现安全停机。达到塔基230V掉电后塔基柜持续运行一段时间的效果。

图5塔基UPS电源为塔基柜供电原理图

3．风电机组UPS故障分析

3.1.风电机组机舱后备UPS电池存在的问题及故障，主要体现在以下几个方面：

机组停电后电池充电时间过长

●现象：

每年电网例行检修作业时，风场进行全场停电，送电后有多台风机处于充电状态，不能直接启动，机组充电至少12小时后才可启动，部分机组充电需要20小时，其中部分机组甚至需要直接更换电池，导致风场发电量受损。

●原因分析：

停电后电池充电时间过长原因主要为电池性能降低和电池深度放电导致。电池深度放电的原因：当电网掉电时，通过对风机的实地检查，我们发现在不考虑电池本身出现问题的前提下，造成电池深度放电的原因为电池放电接触器K210.5的主触点始终保持吸合。最终导致备用电池给主控和变桨变频器持续供电，使得电池深度放电的情况产生。

●控制逻辑：

在华锐机组现有的电池系统控制逻辑中本身存在电池放电截止的设计，即通过对接触器K210.5的控制实现后备UPS电池和主控系统脱离，避免电池深度放电情况的发生。如下图：

图5机组机械锁位置示意图

在实物图中带红色按钮的黑色元件为机械锁，对应图纸中E1与E2间的元件。该电气元件配合接触器K210.5使用，保证了当电网掉电的情况发生时，电池放电接触器K210.5的主触点保持吸合5分钟（程序设定的时间），使得后备电池回路与主控PLC和变桨电机的持续连接，达到顺桨的目的。

为避免后备电池深度放电情况的出现，原有的控制方式为电池掉电5分钟后由主控PLC发出控制信号到继电器K257.3，使得机械锁的E1口得电，机械锁动作，电池放电接触器K210.5主触点弹开，切断备用电池与主控和变桨电机的连接。若后备UPS电池出现深度放电问题则需对机械锁回路进行检查。

电池检测类故障

●现象：

风机在启动之前会对后备UPS电池进行自检，当连续三次电池自检高低负载电压偏差不符合要求时，系统就会报出电池检测失败三次失败低电压故障。

●原因分析：

报此故障可先测量UPS电池组电压，此故障绝大部分问题都因为电池电压低或电池容量不够导致，UPS铅酸电池电压低可直接进行电池更换处理。极少数情况下此故障因电池检测回路有问题导致，若电池电压及容量充足的情况下可进行电池回路的整流桥、检测电阻及接触器等元器件的检查工作。

电池电压类故障

●现象：

机组运行过程中报出电池电压低（高）故障。

●原因分析：

可直接进行电池电压测量。多数机组此故障原因为电池电压低导致，少数机组为电池测量回路问题导致。

从以上风电机组机舱后备UPS电池存在的问题的几个方面可以看出，大部分机组UPS电池问题原因都为后备铅酸电池电压及容量降低导致，这和铅酸电池自身特性及其工作环境脱不开关系，建议把风电后备铅酸电池更换为性能更优越的钛酸锂电池。

3.2.风电机组230VAC交流UPS存在的问题及故障，主要体现在以下几个方面：

230VAC交流UPS不工作

●现象：

机组断掉F134.6空开主电源后，230VAC交流UPS立刻停止工作，检查X134.6接线端子没有230V输出，主电源恢复送电后UPS不能正常启动。

●原因分析：

检查UPS内部电池，发现电池电压无法达到UPS启动状态。进一步分析电池损坏的原因为风机运行时间很久，电池内部老化严重，内阻变大，造成电池容量变低。

频报230VAC交流UPS状态故障

●现象：

系统时常报出230VAC交流UPS状态故障。

●原因分析：

UPS本体安装环境存在问题。现UPS安装在机舱控制柜顶部，使用铁罩密封固定，铁罩上没有换气通风设计。导致UPS工作时所产生的热量以及控制柜内元器件工作所产生的热量都集中到UPS周围，使得UPS的工作环境温度过高，夏季时经常出现UPS高温报警的问题出现，造成UPS大规模损坏。

报水泵接触器弹开故障

●现象：

风机并网瞬间，水泵接触器的A1口语A2口间的工作电压不稳定，该接触器的工作电源由UPS提供。

●原因分析：

现场检查后分析问题原因是在定子断路器吸合时，风机并网发电的瞬间，由于电网的冲击造成UPS电源发生零漂导致。UPS电源零线与火线之间的230V电压不稳定，造成给水泵接触器供电的A1口电压过低，导致水泵接触器弹开触发故障。

电网掉电后机舱UPS电源立刻停止工作，整个系统失电

●现象：

电网掉电整个发电机组400AV电源失去时，机舱UPS电源立刻死机停止供电，导致主控PLC失电停止工作。UPS系统没起到延时续航的作用。

●原因分析：

造成该问题出现原因主要有两个方面：一方面为UPS系统使用的蓄电池存在严重馈电，带载能力不足。另一方面为控制开关设置错误，常见的错误是将放电时间拨码调到Sever位置、放电电流小于12A。

3.3.风电机组塔基UPS电源存在的问题主要为：

电网掉电时，塔基UPS电源立即关断，没有续航能力

●现象：

人为关断塔基电源或者电网出现故障导致塔基供电电源切断时，塔基UPS电源立即关断，不具备续航能力。

●原因分析：

造成电源续航能力丧失的原因主要有以下几个方面：一方面为UPS电源的蓄电池组由于长时间使用、深度放电、工作环境温度低等原因导致其内阻变大本身容量降低，丧失带载能力。另一方面为UPS电源转换开关、整流元件损坏。在工作中，也存在对电源转换开关设置放电时间发生错误，导致续航能力丧失的情况出现。

风力发电机组存在的UPS电源问题多为蓄电池问题。早期机组使用的蓄电池都是铅酸电池。铅酸电池具有它自己的一些优点，如价格廉价，高倍率放电性能良好，高低温性能良好可在-40—60°C的条件下工作，易于浮充使用没有“记忆”效应等。但是在使用过程中逐渐发现一些难以克服的缺点：铅酸电池的充放电特性不好，充电时间长，充电、放电电流不能太大；铅酸电池需要维护，而变桨系统安装在100米高的风机上，维护成本太大；铅酸电池的低温特性不好，在寒冷季节容量会衰减；铅酸电池的循环寿命短，可靠性不强，在某些结构的电池中由于氢的析出有爆炸的危险等。

4.风电机组UPS展望

就当前UPS系统存在的诸多问题，尤其是电池问题，市场上已经在一定程度上进行了优化。如将变桨系统铅酸电池替换为超级电容，但是由于超级电容的制造成本过高，导致没有普及。希望在今后随着技术的进步，能够降低超级电容的制造生产成本。

在风电机组UPS失效的情况下风电机组就会出现飞车的风险，当机组飞车时若风机机舱一直处于对风状态就很可能造成风机倒塌事故，此时若能人为手动或自动解除风机机舱对风状态就可以避免倒塌事故的发生。期望不久的将来，风电机组UPS系统可以加入偏航UPS装置，在风电机组掉电的情况下可以为偏航系统持续供电，人为操作机组偏航，偏离对风角度避免飞车。实现风机偏航系统在任何风险的状态中都可以持续工作，进一步保障风电机组的运行安全。

5.总结

风电机组UPS系统主要作用为在电网停电情况下持续为风机系统供电，保障风机在任何状态下都可以紧急回桨和进行电网波动时的低压穿越功能，是风电机组安全稳定运行的重要组成部分，确保风电机组UPS系统的稳定运行也是保障风机安全稳定运行的重中之重。希望通过上述本文中遇到的风电机组UPS问题及故障的分析处理，可以对以后遇到同类型问题起到承上启下的作用。

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