1 风电场概况

内蒙古大唐国际新能源有限公司卓资1号风电 场（以下简称卓资1号风电场）位于内蒙古自治区乌 兰察布市卓资县巴音希勒镇北部，西倚呼和浩特 市，北靠察右中旗，东连察右后旗，南邻凉城县。目 前，风电场共装有56台风力发电动机组，总装机容 量为88 MW。其中，一期工程安装32台风力发电机 组，风机由印度苏司兰能量有限公司生产，型号为 S64-1250；二期工程安装24台风力发电机组，风机 由湖南湘电风能有限公司生产，型号为Z72-2000。 2 存在的问题

二期工程所装的24台Z72-2000型风力发电机 组为首批国产试验型机组。由于设计不完善、配件 选型不合理等原因，导致最近2年风机屡次因变桨 系统故障而停运。风电场不但承受了巨大的经济 损失，而且存在机组在强风天气状况不能顺利收 桨、甚至发生“飞车”事故的安全隐患。虽然先后对 少数机组进行过局部完善化改造，但由于缺乏系统 化改造方案，改造效果均不理想。 2.1 驱动力矩不足

桨叶转动的直接驱动力来自变桨电动机，风力 发电机组变桨电动机应适应立式运行工况，同时满 足振动、摇摆、冲击载荷等要求^[1,2,3]。Z72-2000型机 组所配变桨电动机额定功率为3.4 kW、额定驱动力 矩为11 Nm，仅能在变桨齿轮润滑完好的情况下，刚 刚满足叶片的转动要求。

随着运行时间的延长，变桨齿轮需要的完全润 滑越来越难以保证，在风速、风向、机械作用力等因 素的影响下，风机在变桨过程中经常发生电动机过 电流现象，而且随着变桨次数的增多，变桨电动机 的报损率猛增。

此外，卓资1号风电场所装24台Z72-2000型风 力发电机组由于设计、制造等技术水平不够成熟， 导致其不能满足桨叶顺利变桨的要求，加之所配驱 动器输出功率偏小，致使投运前期角度编码器损坏 频繁，电动机报损率极高。经过向风机制造厂家咨 询，后期生产的风机已经对此类问题进行了整改。 2.2 刹车制动延迟

为满足电磁兼容要求及电子器件反相电压钳 位要求，在感性负载的控制系统中均设计了续流二 极管^[2]。风机变桨刹车为失电抱闸制动，由于现有 国产刹车启动时释放电压较小、额定电流偏大、启 动线圈蓄能较多等原因，使得线圈在失电后，续流 器件及刹车释放电流较小，导致刹车制动发生延迟 现象；此外，由于电磁参数与线圈弹簧的匹配不当， 以及刹车线圈能量释放时导致变桨电动机断电延 迟，使得叶片处在载荷重、惯性大的状态下，加剧了 对变桨轴承缓冲块的撞击作用，造成紧急变桨模块 损坏加剧及紧急收桨过冲等情况。 2.3 限流电阻功率过小

目前，在紧急模块回路中使用了额定功率为 550 W、额定电阻为0.8 Ω的限流电阻，在风机紧急 收桨的过程中，频繁发生限流电阻烧损或桨叶被吹 回工作位而引发电池过度放电的现象。通过多次 的缺陷分析与处理，基本可以断定限流电阻烧损的 主要原因为其额定功率过小，难以长时间、多次承 受电动机启动时过载电流的冲击。 2.4 角度不同步

在叶片变桨传动链的机械与电气因素双重影 响下，Z72-2000型机组在变桨过程中频繁发生因叶 片角度不一致而导致停机的故障。通过分析历次 故障处理记录，发现在变桨电动机完好，风速、叶片 位置及载荷等无异常情况下，驱动器的输出功率不 足是造成故障的主要原因。

综上所述，由于设计不完善、配件选型不合理 等原因，致使Z72-2000型风力发电机组变桨驱动 力、刹车制动、变桨角度等方面存在诸多问题，严重 影响了机组的安全稳定运行，亟待改造。 3 改造方法

为了提高Z72-2000型风力发电机组的运行稳 定性及安全可靠性，卓资1号风电场对机组变桨系 统进行了以下改造。 3.1 增大变桨驱动力矩

将原来额定功率为3.4 kW的变桨电动机更换 成额定功率为3.9 kW的国产新型变桨专用电动机， 额定转速与改造前一致（均为2000 r/min）。改造 后，变桨驱动力矩由原来的11 Nm提高到13 Nm（根 据载荷、变桨减速比及电动机2.5倍过载能力计算 确定），同时增加刹车力矩至28 Nm，以满足改造后 刹车要求^[4,5,6]。新电动机编码器端电动机轴按照编 码器安装要求加长至25 mm。

按照立式安装要求进行设计，换向器侧轴承选 用进口深沟球轴承，同时增加了密封防尘措施以延 长轴承使用寿命。改造时，保证了新电动机在电 气、机械接口等方面与原电动机的一致性。

国产伺服驱动器容量由原来的3.5 kW增加到 5 kW，具备1.5倍的过载能力。经过与新电动机的 配套试验，在满足4（°）/s的变桨速度要求下，驱动力 矩达27 Nm，改造后大大提高了变桨的可靠性。 3.2 重新设计紧急模块

现有XE72型紧急收桨刹车供电的模式为每个 桨叶刹车电源采用电池组中的前2节电池，这样既 可能导致整套电池组的电压不均衡，又将整个风机 安全的最后保障只维系于6节电池（每支桨叶需要2 节，共3支桨叶），这对电池的要求过高，也不符合电 气安全规程对电源的基本设计要求^[7]。

为了使紧急收桨刹车具有科学、安全的供电模 式，对紧急收桨刹车供电方式进行了重新设计，具 体设计方案：在紧急模块电路中增加1个24 V紧急 电源转换模块。该转换模块选用美国VICOR 150 W模块，具有成本低、标准高、体积小等优势，图 1为 该24 V紧急电源转换模块的接线原理。

图 1(Figure 1)

图 1 24 V紧急电源转换模块接线原理

改造后，通过试验观察发现，改造前存在的刹 车延迟释放问题得到根本解决。 3.3 增大限流电阻功率 3.3.1 必要性

增大限流电阻额定功率可以提高过载承受能 力，不至于过早失效、烧损；其次，从安全性方面考 虑，延长了紧急收桨时的紧急刹车制动时间。电阻 功率增大后，限流电阻烧损概率将大大降低。

在紧急收桨模式下，增加了刹车供电限制。因 为一旦限流电阻开路，桨叶不能收回到待机位置， 而刹车释放一直保持，叶片在风力下处于自由状 态，对风机的安全威胁极大。 3.3.2 限流电阻阻值选择

根据以下条件：电枢输入端电阻R₁=0.8 Ω，电磁 转矩系数K_t=0.434，反电势系数K_e=0.047；紧急收桨 启动力矩要求≥26 Nm，紧急收桨速率≥4（°）/s，变 桨减速比i=2300，电动机转速n≥1533 r/min，经复核 计算，将限流电阻更换成额定功率为750 W，额定阻 值为0.8 Ω的电阻。 3.4 变桨驱动改造

为使新型变桨电动机能够稳定运行，需更换满 足其运行要求的驱动器。通过前期试运，发现 YC3A150V-32A/F型国产驱动器对新型变桨电动机 具有较高的匹配性能，同时满足设计功率裕度的要 求。因此，将原有驱动器更换为YC3A150V-32A/F 型驱动器。新驱动器与旧驱动器接线形式完全一 致（见图2），为改造工作带来极大的便利。此外，在 角度编码器上加装屏蔽装置，以提高后台数据采集 的抗干扰能力，保证数据的准确性。通过改造，使 硬件和软件完美结合，从根本上解决了变桨过程中 的不同步问题。 4 改造效果

卓资1号风电场分别对45号、46号2台风机的 变浆系统进行了改造。改造后风机各系统均运行 正常，在随后3个月的运行时间段内，2台风机均未 发生因变桨系统故障而导致的停机情况，极大地提 高了风机运行稳定性和可靠性。在风电场经济效 益得到提高的同时，从根本上消除了风机发生“飞 车”事故的安全隐患。本次改造的效果达到了预期 目标，改造方案可以在其他同型机组上推广应用。