CN109301868A - 一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制系统及方法，其系统包含风机主控制器、变流器总控制器、变流单元本地控制系统；风机主控制器与风力发电机连接，检测发电机的转矩、功率；变流器总控制器与所述风机主控制器通信连接，进行转矩控制；变流单元本地控制系统设置在每一个变流单元内，进行功率、电流跟踪，并进行电能的转换与输出，同时将运行信息上传给变流器总控制器；所述变流器总控制器还与每一个变流单元本地控制系统通信连接，读取所述风机主控制器的功率及每一个变流单元的运行指数后，根据功率的大小选择若干个变流单元中的部分变流单元进行工作。本发明在小风或者中等风速情况下所有变流单元共同工作的方式得到改变。

Description

一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制系统及方法
技术领域
本发明涉及风电发电技术，具体涉及模块化风电变流器智能休眠控制系统。
背景技术
现有兆瓦级大功率风电变流器大多采用模块化设计，即有许多小功率或者中等功率的变流单元并联实现输出大功率。现有的变流器结构拓扑如附图1所示。图中示例N为变流单元个数，N≥2。以3MW容量变流器为例，国内外变流器厂家大多由2～6个这样的变流单元组成。在风电机组并网过程中不论机组待输出功率的大小，都由这N个变流器单元同时进行整流逆变完成电能输出。所用变流单元在运行过程中主要动作为功率器件高频开通关断，故变流器产生的损耗主要为单元中功率模块如IGBT等产生的开关损耗。
现有的大功率风电变流器在各种风况下由全部的变流单元同时投入运行，在风能输入到发电机端功率较小或者中等时也是如此。整个变流器的损耗为所有变流单元的损耗，其中IGBT功率模块的开关损耗是主要组成部分。为了提高发电量、降低损耗、提高可靠性，在小风或者中等风速情况下所有变流单元共同工作的方式需要改变。
发明内容
本发明提出了一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制方法及系统。以达到在小风或者中等风速下工况下，降低变流器的自身损耗、提升转换效率，同时提高变流器的可靠性目的。
为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制系统，其特征包含：风机主控制器、变流器控制系统；
所述变流器控制系统包含变流器总控制器及若干个变流单元本地控制系统；
所述风机主控制器与变流器总控制器连接，并下发指令给变流器总控制器；
所述变流器总控制器还与若干个变流单元本地控制系统连接；
所述若干个变流单元本地控制系统各设置在若干个变流单元内；
所述变流器总控制器下发工作指令给若干个变流单元本地控制系统，每一个变流单元本地控制系统将自己的运行指数存储到变流器总控制器；
所述变流器总控制器读取所述风机主控制器的指令及每一个变流单元的运行指数后，选择若干个变流单元中的部分变流单元进行工作。
优选地，所述运行信息包含历史运行时间以及负载情况。
优选地，所述运行指数Ri表达方式如下：
Ri＝Kfi*(Pi/PN)*100
其中，Kfi为第i变流单元负载加权系数，Pi为第i变流单元当前输出功率，PN为第i变流单元额定输出容量；
加权系数Kfi满足如下条件：
变流单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在0～20％时，Kfi＝1；
功率单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在20％～70％时，
Kfi＝(Pi-0.2PN)/(1.2-1)/(0.7-0.2)+1；
功率单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在20％～70％时，
Kfi＝(Pi-0.7PN)/(1.5-1.2)/(1-0.7)+1.2。
优选地，所述变流单元本地控制系统在变流单元内进行功率、电流跟踪，并进行电能的转换与输出。
优选地，所述变流器总控制器、变流单元本地控制系统、风机主控制器包含PLC、工控机、微处理器。
一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制方法，其操作步骤包含：
步骤1：变流器总控制器接收风机主控制器的指令；
步骤2：变流器总控制器查询每一个变流单元运行指数；
步骤3：变流器总控制器根据功率大小优先选用运行指数低的变流单元使能，并下发给相应的变流单元本地控制系统工作指令。
优选地，操作步骤进一步包含：
步骤4：变流单元本地控制系统接收变流器总控制器的指令后运行变流单元，并读取历史运行指数的信息；
步骤5：变流单元本地控制系统根据变流单元的运行工况来更新运行指数；
步骤6：变流单元本地控制系统将更新的运行指数上传至变流器总控制器。
优选地，所述风机主控制器的指令包含主控转矩指令和功率指令，所述变流器总控制器的指令包含使能指令和功率/电流指令。
优选地，所述步骤4中，没有收到变流器总控制器的指令的变流单元本地控制系统将各自的变流单元处于休眠状态。
优选地，所述步骤5中更新所述运行指数Ri表达方式如下：
Ri＝Kfi*(Pi/PN)*100
其中，Kfi为其中第i变流单元负载加权系数，Pi为第i变流单元当前输出功率，PN为第i变流单元额定输出容量；
加权系数Kfi满足如下条件：
变流单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在0～20％时，Kfi＝1；
功率单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在20％～70％时，
Kfi＝(Pi-0.2PN)/(1.2-1)/(0.7-0.2)+1；
功率单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在20％～70％时，
Kfi＝(Pi-0.7PN)/(1.5-1.2)/(1-0.7)+1.2。
本发明和以往相比较，具有以下的特点：
在输出小功率或者中等功率时，有部分变流单元不工作，降低了自身损耗，同时提升了变流器整体的寿命。
附图说明
图1是大功率风电变流器典型拓扑；
图2是变流器控制系统数据流向图；
图3是变流器总控制器运行逻辑框图；
图4是变流单元本地控制系统逻辑框图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但不以任何方式限制本发明的范围。
如附图2所示，本发明提出大功率模块化变流器优化变流单元运行的方案。系统包含：风机主控制器、变流器控制系统；变流器控制系统包含变流器总控制器及若干个变流单元本地控制系统；风机主控制器与变流器总控制器连接，并下发指令给变流器总控制器；变流器总控制器还与若干个变流单元本地控制系统连接；若干个变流单元本地控制系统各设置在若干个变流单元内，在变流单元内进行功率、电流跟踪，并进行电能的转换与输出；变流器总控制器下发工作指令给若干个变流单元本地控制系统，每一个变流单元本地控制系统将含有自己的历史运行时间以及负载情况的运行指数存储到变流器总控制器；变流器总控制器读取所述风机主控制器的指令及每一个变流单元的运行指数后，选择若干个变流单元中的部分变流单元进行工作，没被选中的变流单元则进行休眠模式。
在这里展示的附图仅为控制数据流向示意，不包含对应的通信介质、规约、以及组网方式。本发明方案适用通用通信系统，与以上通信因素无关。风机主控制器下发转矩/功率指令给变流器总控制器，变流器总控制器可有PLC、工控机、微处理器方式构成，构成方式不限。
变流器总控制器的调度逻辑步骤的描述如附图3流程图所示，总控制接受风机主控制器转矩/功率指令，查询各个变流单元的运行指数。该指数的来源由各个变流单元的本地控制系统上传。根据功率大小优先选用指数低的变流单元使能，并下发功率/电流指令给相应的变流单元本地控制系统。变流单元本地控制系统接受到变流器总控制器的指令之后的操作步骤如附图4流程图所示，先读取该变流单元的历史运行指数，然后根据工况来更新该单元的运行指数之后，将更新信息发给变流器总控制器。
在这里变流单元负载运行指数Ri表达方式如下：
Ri＝Kfi*(Pi/PN)*100
其中，Kfi为其中某一变流单元负载加权系数，Pi为某一变流单元当前输出功率，PN为某一变流单元额定输出容量；
加权系数Kfi满足如下条件：
变流单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在0～20％时，Kfi＝1；
功率单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在20％～70％时，
Kfi＝(Pi-0.2PN)/(1.2-1)/(0.7-0.2)+1；
功率单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在20％～70％时，
Kfi＝(Pi-0.7PN)/(1.5-1.2)/(1-0.7)+1.2；
本方案提出变流单元运行指数概念，该指数的构成有变流单元的运行时间乘以负载加权因数构成，并进行累计。负载加权因数的取值举例如下，根据变流单元输出占其额度容量大额大小取值。占变流单元额定容量20％及以下为1；占变流单元额定容量20％～70％时，在1-1.2线性均分。占变流单元额度容量70％以上时，在1.2-1.5线性均分。本方案所提的负载加权系数计算方式可以多种多样，与变流单元实际载荷与硬件寿命关系相关。以3MW风电变流器3个变流单元组成为例，在小功率或者中等功率输出时，可以降低1～2变流单元的功率损耗，同时将变流单元的寿命延长。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求。

Claims (10)

1.一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制系统，其特征在于，包含：风机主控制器、变流器控制系统；
所述变流器控制系统包含变流器总控制器及若干个变流单元本地控制系统；
所述风机主控制器与变流器总控制器连接，并下发指令给变流器总控制器；
所述变流器总控制器还与若干个变流单元本地控制系统连接；
所述若干个变流单元本地控制系统各设置在若干个变流单元内；
所述变流器总控制器下发工作指令给若干个变流单元本地控制系统，每一个变流单元本地控制系统将自己的运行指数存储到变流器总控制器；
所述变流器总控制器读取所述风机主控制器的指令及每一个变流单元的运行指数后，选择若干个变流单元中的部分变流单元进行工作。
2.如权利要求1所述的一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制系统，其特征在于，所述运行信息包含历史运行时间以及负载情况。
3.如权利要求2所述的一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制系统，其特征在于，所述运行指数Ri表达方式如下：
Ri＝Kfi*(Pi/PN)*100
其中，Kfi为第i变流单元负载加权系数，Pi为第i变流单元当前输出功率，PN为第i变流单元额定输出容量；
加权系数Kfi满足如下条件：
变流单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在0～20％时，Kfi＝1；
功率单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在20％～70％时，
Kfi＝(Pi-0.2PN)/(1.2-1)/(0.7-0.2)+1；
功率单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在20％～70％时，
Kfi＝(Pi-0.7PN)/(1.5-1.2)/(1-0.7)+1.2。
4.如权利要求3所述的一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制系统，其特征在于，所述变流单元本地控制系统在变流单元内进行功率、电流跟踪，并进行电能的转换与输出。
5.如权利要求1所述的一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制系统，其特征在于，所述变流器总控制器、变流单元本地控制系统、风机主控制器包含PLC、工控机、微处理器。
6.一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制方法，其特征在于，利用权利要求1-5任一项所述的一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制系统，操作步骤包含：
步骤1：变流器总控制器接收风机主控制器的指令；
步骤2：变流器总控制器查询每一个变流单元运行指数；
步骤3：变流器总控制器根据功率大小优先选用运行指数低的变流单元使能，并下发给相应的变流单元本地控制系统工作指令。
7.如权利要求6所述的一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制方法，其特征在于，操作步骤进一步包含：
步骤4：变流单元本地控制系统接收变流器总控制器的指令后运行变流单元，并读取历史运行指数的信息；
步骤5：变流单元本地控制系统根据变流单元的运行工况来更新运行指数；
步骤6：变流单元本地控制系统将更新的运行指数上传至变流器总控制器。
8.如权利要求6所述的一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制方法，其特征在于，所述风机主控制器的指令包含主控转矩指令和功率指令，所述变流器总控制器的指令包含使能指令和功率/电流指令。
9.如权利要求7所述的一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制方法，其特征在于，所述步骤4中，没有收到变流器总控制器的指令的变流单元本地控制系统将各自的变流单元处于休眠状态。
10.如权利要求7所述的一种大功率模块化风电变流器智能休眠控制方法，其特征在于，所述步骤5中更新所述运行指数Ri表达方式如下：
Ri＝Kfi*(Pi/PN)*100
其中，Kfi为其中第i变流单元负载加权系数，Pi为第i变流单元当前输出功率，PN为第i变流单元额定输出容量；
加权系数Kfi满足如下条件：
变流单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在0～20％时，Kfi＝1；
功率单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在20％～70％时，Kfi＝(Pi-0.2PN)/(1.2-1)/(0.7-0.2)+1；
功率单元输出功率Pi与单元额定输出容量PN在20％～70％时，Kfi＝(Pi-0.7PN)/(1.5-1.2)/(1-0.7)+1.2。
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