CN113917249B - 一种风电机组高低电压故障穿越监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及风力发电电气控制及智慧风电技术领域，具体的是一种风电机组高低电压故障穿越监测方法及系统，方法包括如下步骤：实时采集风电变流器并网三相电流和电网三相电压，对电网电压进行正负序分离并锁相，得到电网电压锁相角；采用电网锁相角对电网三相电压、并网三相电流进行坐标变换，得到静止坐标系下电网电压和并网电流在两相旋转坐标系下的分量；根据两相旋转坐标系下的电网电压和并网电流计算得到电网电压水平、并网有功功率、并网无功功率，本方法能够在线实时监测风电机组的并网发电状态，在电网发生高电压或低电压故障时，能够对风电机组的高低电压故障穿越过程进行实时在线监测和评估，为智慧风电提供重要支撑。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电电气控制及智慧风电技术领域，具体的是一种风电机组高低电压故障穿越监测方法及系统。
背景技术
风力发电是一种清洁高效的可再生能源，为了助力国家实现“2030年碳达峰和2060年碳中和”愿景目标，国家一直在大力发展风力发电技术。目前风能电力装机容量占电网总装机容量的10％以上，并且占比还在不断攀升。相比于传统火电、水电等能源，风能波动大，准确的功率预测困难，因此风能在电网中的高渗透率会导致电力系统稳定性下降。为了提升风电机组的利用率，增强风电机组对电网的支撑能力，国家标准要求风力发电机组具备高电压和低电压故障穿越能力，规定电网在标准范围内发生电压故障时风力发电机组要保持并网运行并且提供无功支撑帮助电网恢复正常。
电网发生高电压或者低电压故障时，一方面要求风电变流器控制机组不脱网，同时要求机组根据电网电压水平向电网注入或吸收大小不同无功功率，其中无功功率的注入量和响应速率关系到机组对电网支撑能力，也是标准中规定的重要内容。在满足不脱网运行和无功注入的基础上，变流器还需要尽可能地向电网注入有功功率，降低变流器因能量不能及时输入电网导致的变流器内部故障。
风电机组中的高低电压故障穿越功能实现有赖于主控、变桨、变流三大电控子系统的配合，其中变流器是实现高低电压故障穿越的关键核心部件。目前变流器在匹配不同机组型式试验时都会进行高低电压穿越能力测试，但是在实际风场运行时，风电机组的高低电压穿越能力究竟如何，缺乏有效的实时在线评估手段。
发明内容
为了对风电机组的高低电压穿越能力进行实时在线检测和评估，本发明提出了一种风电机组高低电压故障穿越监测方法。
一种风电机组高低电压故障穿越监测方法，包括如下步骤：
步骤一，实时采集风电变流器并网三相电流iabc和电网三相电压vg_abc，对电网电压进行正负序分离并锁相，得到电网电压锁相角；具体如何得到电网电压锁相角的计算方法为本领域公知的方法。
步骤二，采用电网锁相角对电网三相电压vg_abc、并网三相电流iabc进行abc/dq坐标变换，得到静止坐标系下电网电压和并网电流在两相旋转坐标系下的分量；具体如何计算得到静止坐标系下电网电压和并网电流在两相旋转坐标系下的分量的方法为本领域公知的。
步骤三，根据两相旋转坐标系下的电网电压和并网电流计算得到电网电压水平vg_PU、并网有功功率Pg、并网无功功率Qg，此时的电网电压水平vg_PU定义为电网电压标幺值vg_PU；具体如何通过电网电压和并网电流计算得到电网电压标幺值vg_PU、并网有功功率Pg、并网无功功率Qg的方法为本领域公知的。
步骤四，当电网电压发生故障，并且电网电压在国家标准(《GB/T 36995-2018风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》)规定的故障穿越范围内时，将电网故障穿越标志位置1，同时记录电网发生故障时的并网功率Pg_rec并计算对应电网电压水平vg_PU时需要向电网注入的无功功率Qg_req；记录并比对实际并网无功Qg和标准要求注入电网的无功功率Qg_req，记录并比对故障前并网有功功率Pg_rec和当前实际并网有功功率Pg；并网功率Pg_rec根据故障时的电网电压和电流，跟步骤三方法一样，因为电网电压电流实时波动需要不断计算更新，电网电压水平vg_PU是实时变化的要不断去计算这个电压水平，无功功率Qg_req根据标准确定。
当电网正常或者电网发生故障并且超出国家标准(《GB/T 36995-2018风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》)规定的故障穿越范围内时，记录当前并网有功功率Pg和无功功率Qg。
步骤五，根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果。
进一步地，根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果中，具体的输出信息包括：
电网电压状态(正常/标准要求/不要求穿越的故障电压)
若电网电压一直处于正常范围，则电网电压状态正常；如果电网电压发生故障但是发生故障对应的电压水平和持续时间在标准要求穿越的电压范围内，则电网电压状态为标准要求穿越的故障电压；否则电网电压状态为不要求穿越的故障电压。
进一步地，根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果中，具体的输出信息包括：
机组并网状态(未脱网/正常脱网/故障脱网)
根据并网电流、电网电压状态和发生故障前后的并网有功功率和无功功率可以判断机组并网状态；当并网电流和并网功率均大于门限值时，判定机组未脱网；当电网电压处于标准不要求穿越的故障电压状态，并且并网电流小于门限值时，判定机组正常脱网；当电网电压处于标准要求穿越的故障电压状态，并且并网电流小于门限值时，判定机组故障脱网。
再进一步地，所述并网电流的门限值为1％～3％的额定电流，并网功率的门限值为1％的额定功率。
进一步地，根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果中，具体的输出信息包括：
故障穿越是否成功(是/否)
当电网电压处于标准要求穿越的故障电压状态，机组在电网发生故障及恢复期间，一直处于并网状态，判定故障穿越成功；否则如果机组发生故障脱网，则判定机组故障穿越失败。
进一步地，根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果中，具体的输出信息包括：
电网无功注入是否满足标准要求(是/否)
当电网电压处于标准要求穿越的故障电压状态并且机组故障穿越成功时，比对并网无功功率和标准要求注入电网的无功功率，当并网无功功率和标准要求注入电网的无功功率偏差百分比在设定误差范围内，并且计算的电网发生故障时无功功率响应时间满足标准要求时，判定电网无功功率注入满足标准要求，否则判定为不满足标准要求。
再进一步地，所述误差范围为10％～20％。
进一步地，根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果中，具体的输出信息包括：
电网有功恢复是否满足标准要求(是/否)
当电网电压处于标准要求穿越的故障电压状态并且机组故障穿越成功时，计算的电网故障恢复时有功功率恢复时间满足标准要求时，判定电网有功恢复满足标准要求，否则判定为不满足标准要求。
进一步地，根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果中，具体的输出信息包括：
并网有功功率、并网无功功率
将并网有功功率和并网无功功率作为监测结果实时输出，当电网发生故障时，同时将故障时并网有功功率占故障前机组功率的百分比输出。
一种风电机组高低电压故障穿越监测系统，包括：风轮、风力发电机、风电变流器、并网开关、变压器、电网和风电机组高低电压故障穿越监测装置，所述风轮与风力发电机相连，所述风力发电机与风电变流器相连，所述变压器与电网相连，所述并网开关的一端变流器相连，所述并网开关的另一端与变压器相连，在所述并网开关于变压器之间连接有风电机组高低电压故障穿越监测装置。风力发电机将叶轮输入的机械能转换为电能，再经过风电变流器变换为电压、频率稳定的交流电并网，并网开关用于控制机组并网和脱网，变压器实现升压并将风电机组发出的电能馈入电网，风电机组高低电压故障穿越监测装置直接检测风电机组并网电流和电网电压，并对风电机组的高低电压穿越能力进行实时在线监测。
进一步地，所述风电机组高低电压故障穿越监测装置，包括：
电流采集单元，用于实时采集机组并网三相电流；所述电流采集单元包括电流传感器和风电数采控制器上的硬件调理电路；
电压采集单元，用于实时采集机组并网三相电压；所述电压采集单元包括电压采集电路板和风电数采控制器上的硬件调理电路；
高低电压穿越监测评估单元，用于根据采集的电压电流信号计算风电机组的并网有功功率、无功功率，再经过综合诊断分析得到风电机组的状态；所述高低电压穿越监测评估单元为风电数采控制器；
和监测评估结果输出单元，用于记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果。所述监测评估结果输出单元为风电数采控制器及其通信接口。
本发明的优点在于：
1、现有监控系统的数据主要通过主控系统采集，采集的数据数量少，数据的采集频率低。本方法能够直接采集变流器的运行状态信号，采集的数据量全并且数据采集频率高，监测评估过程是在线实时，可以到百微秒级别。
2、本方法能够在线实时监测风电机组的并网发电状态，在电网发生高电压或低电压故障时，能够对风电机组的高低电压故障穿越过程进行实时在线监测和评估，根据输出的监测评估结果可以判定风电机组的故障穿越能力并对机组的故障穿越能力提升提供数据支持，有利于提升风电场的数字化运维水平，能够为智慧风电提供重要支撑。
附图说明
图1是本发明实施例的高低电压故障穿越监测方法实施流程图。
图2是本发明实施例的高低电压故障穿越监测方法实施框图。
图3是本发明实施例的高低电压故障穿越监测系统示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例中的附图，对本发明的技术方案进一步进行描述。
风电机组高低电压故障检测装置是对风电机组进行数字化智慧运维的重要部件。如图3所示为实施例中高低电压故障穿越监测装置在风电机组中位置的示意图。风力发电机2将叶轮1输入的机械能转换为电能，在经过变流器3变换为电压、频率稳定的交流电，并网开关4用于控制机组并网和脱网，变压器5对变流器输出电压进行升压并将风电机组发出的电能馈入电网6，风电机组高低电压故障穿越监测装置7直接检测风电机组并网电流和电网电压，并对风电机组的高低电压穿越能力进行实时在线监测。
本实施例提供的高低电压故障穿越监测方法实施框图和实施流程图，分别如图1、2所示，该方法包括：
实时采集风电变流器并网三相电流iabc和电网三相电压vg_abc，对电网电压进行正负序分离并锁相，得到电网电压锁相角；
采用电网锁相角对电网三相电压、并网三相电流进行坐标变换，得到静止坐标系下电网电压和并网电流在两相旋转坐标系下的分量。
根据两相旋转坐标系下的电网电压和并网电流计算得到电网电压标幺值vg_PU、并网有功功率Pg、并网无功功率Qg。
当电网电压发生故障，并且电网电压在国家标准(《GB/T 36995-2018风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》)规定的故障穿越范围内时，将电网故障穿越标志位置1，同时记录电网发生故障时的并网功率Pg_rec并计算对应电网电压水平vg_PU时需要向电网注入的无功功率Qg_req。记录并比对实际并网无功Qg和标准要求注入电网的无功功率Qg_req，记录并比对故障前Pg_rec和当前实际并网有功功率Pg_rec。
当电网正常或者电网发生故障并且超出国家标准(《GB/T 36995-2018风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》)规定的故障穿越范围内时，记录当前并网有功功率Pg和无功功率Qg。
根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果，具体的输出信息包括：
(1)电网电压状态(正常/标准要求/不要求穿越的故障电压)
若电网电压一直处于正常范围，则电网电压状态正常；如果电网电压发生故障但是发生故障对应的电压水平和持续时间在标准要求穿越的电压范围内，则电网电压状态为标准要求穿越的故障电压；否则电网电压状态为不要求穿越的故障电压。
(2)机组并网状态(未脱网/正常脱网/故障脱网)
根据并网电流、电网电压状态和发生故障前后的并网有功功率和无功功率可以判断机组并网状态。当并网电流和并网功率均大于门限值时，判定机组未脱网；当电网电压处于标准不要求穿越的故障电压状态，并且并网电流小于门限值时，判定机组正常脱网；当电网电压处于标准要求穿越的故障电压状态，并且并网电流小于门限值时，判定机组故障脱网。
(3)故障穿越是否成功(是/否)
当电网电压处于标准要求穿越的故障电压状态，机组在电网发生故障及恢复期间，一直处于并网状态，判定故障穿越成功；否则如果机组发生故障脱网，则判定机组故障穿越失败。
(4)电网无功注入是否满足标准要求(是/否)
当电网电压处于标准要求穿越的故障电压状态并且机组故障穿越成功时，比对并网无功功率和标准要求注入电网的无功功率，当并网无功功率和标准要求注入电网的无功功率偏差百分比在设定误差范围内，并且计算的电网发生故障时无功功率响应时间满足标准要求时，判定电网无功功率注入满足标准要求，否则判定为不满足标准要求。
(5)电网有功恢复是否满足标准要求(是/否)
当电网电压处于标准要求穿越的故障电压状态并且机组故障穿越成功时，计算的电网故障恢复时有功功率恢复时间满足标准要求时，判定电网有功恢复满足标准要求，否则判定为不满足标准要求。
(6)并网有功功率、并网无功功率
将并网有功功率和并网无功功率作为监测结果实时输出，当电网发生故障时，同时将故障时并网有功功率占故障前机组功率的百分比输出。
本发明实施例同时提供一种风电机组高低电压故障穿越监测装置，如图1所示，包括：
电流采集单元5，用于实时采集机组并网三相电流；
电压采集单元6，用于实时采集机组并网三相电流；
高低电压穿越穿越监测评估单元7，用于根据采集的电压电流信号计算风电机组的并网有功功率、无功功率，再经过综合诊断分析得到风电机组的状态；
监测评估结果输出单元8，记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果。
本发明实施例同时提供一种风电机组高低电压故障穿越监测系统，如图1所示，包括：风轮1、风力发电机2、风电变流器3、并网开关4、变压器5、电网6和风电机组高低电压故障穿越监测装置7，风力发电机将叶轮输入的机械能转换为电能，在经过变流器变换为电压、频率稳定的交流电并网，并网开关用于控制机组并网和脱网，变压器实现升压并将风电机组发出的电能馈入电网，风电机组高低电压故障穿越监测装置直接检测风电机组并网电流和电网电压，并对风电机组的高低电压穿越能力进行实时在线监测。
所述风电机组高低电压故障穿越监测装置7包括：
电流采集单元71，用于实时采集机组并网三相电流；
电压采集单元72，用于实时采集机组并网三相电流；
高低电压穿越穿越监测评估单元73，用于根据采集的电压电流信号计算风电机组的并网有功功率、无功功率，再经过综合诊断分析得到风电机组的状态；
监测评估结果输出单元74，记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种风电机组高低电压故障穿越监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，实时采集风电变流器并网三相电流iabc和电网三相电压vg_abc，对电网电压进行正负序分离并锁相，得到电网电压锁相角；
步骤二，采用电网锁相角对电网三相电压vg_abc、并网三相电流iabc进行abc/dq坐标变换，得到静止坐标系下电网电压和并网电流在两相旋转坐标系下的分量；
步骤三，根据两相旋转坐标系下的电网电压和并网电流计算得到电网电压水平vg_PU、并网有功功率Pg、并网无功功率Qg，此时的电网电压水平vg_PU定义为电网电压标幺值vg_PU；
步骤四，当电网电压发生故障，并且电网电压在国家标准规定的故障穿越范围内时，将电网故障穿越标志位置1，同时记录电网发生故障时的并网功率Pg_rec并计算对应电网电压水平vg_PU时需要向电网注入的无功功率Qg_req；记录并比对实际并网无功Qg和标准要求注入电网的无功功率Qg_req，记录并比对故障前并网有功功率Pg_rec和当前实际并网有功功率Pg；
当电网正常或者电网发生故障并且超出国家标准规定的故障穿越范围内时，记录当前并网有功功率Pg和无功功率Qg；
步骤五，根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果；
根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果中，具体的输出信息包括：
电网电压状态，
若电网电压一直处于正常范围，则电网电压状态正常；如果电网电压发生故障但是发生故障对应的电压水平和持续时间在标准要求穿越的电压范围内，则电网电压状态为标准要求穿越的故障电压；否则电网电压状态为不要求穿越的故障电压；
根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果中，具体的输出信息包括：
机组并网状态，
根据并网电流、电网电压状态和发生故障前后的并网有功功率和无功功率可以判断机组并网状态；当并网电流和并网功率均大于门限值时，判定机组未脱网；当电网电压处于标准不要求穿越的故障电压状态，并且并网电流小于门限值时，判定机组正常脱网；当电网电压处于标准要求穿越的故障电压状态，并且并网电流小于门限值时，判定机组故障脱网；
所述并网电流的门限值为1％～3％的额定电流，并网功率的门限值为1％的额定功率；
根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果中，具体的输出信息包括：
故障穿越是否成功，
当电网电压处于标准要求穿越的故障电压状态，机组在电网发生故障及恢复期间，一直处于并网状态，判定故障穿越成功；否则如果机组发生故障脱网，则判定机组故障穿越失败；
根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果中，具体的输出信息包括：
电网无功注入是否满足标准要求，当电网电压处于标准要求穿越的故障电压状态并且机组故障穿越成功时，比对并网无功功率和标准要求注入电网的无功功率，当并网无功功率和标准要求注入电网的无功功率偏差百分比在设定误差范围内，并且计算的电网发生故障时无功功率响应时间满足标准要求时，判定电网无功功率注入满足标准要求，否则判定为不满足标准要求，所述误差范围为10％～20％；
根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果中，具体的输出信息包括：
电网有功恢复是否满足标准要求，
当电网电压处于标准要求穿越的故障电压状态并且机组故障穿越成功时，计算的电网故障恢复时有功功率恢复时间满足标准要求时，判定电网有功恢复满足标准要求，否则判定为不满足标准要求；
根据记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果中，具体的输出信息包括：
并网有功功率、并网无功功率，
将并网有功功率和并网无功功率作为监测结果实时输出，当电网发生故障时，同时将故障时并网有功功率占故障前机组功率的百分比输出。
2.一种实现如权利要求1所述的一种风电机组高低电压故障穿越监测方法的系统，其特征在于：包括风轮、风力发电机、风电变流器、并网开关、变压器、电网和风电机组高低电压故障穿越监测装置，所述风轮与风力发电机相连，所述风力发电机与风电变流器相连，所述变压器与电网相连，所述并网开关的一端变流器相连，所述并网开关的另一端与变压器相连，在所述并网开关于变压器之间连接有风电机组高低电压故障穿越监测装置；风力发电机将叶轮输入的机械能转换为电能，再经过风电变流器变换为电压、频率稳定的交流电并网，并网开关用于控制机组并网和脱网，变压器实现升压并将风电机组发出的电能馈入电网，风电机组高低电压故障穿越监测装置直接检测风电机组并网电流和电网电压，并对风电机组的高低电压穿越能力进行实时在线监测。
3.根据权利要求2所述的一种风电机组高低电压故障穿越监测系统，其特征在于：所述风电机组高低电压故障穿越监测装置，包括：
电流采集单元，用于实时采集机组并网三相电流；所述电流采集单元包括电流传感器和风电数采控制器上的硬件调理电路；
电压采集单元，用于实时采集机组并网三相电压；所述电压采集单元包括电压采集电路板和风电数采控制器上的硬件调理电路；
高低电压穿越监测评估单元，用于根据采集的电压电流信号计算风电机组的并网有功功率、无功功率，再经过综合诊断分析得到风电机组的状态；所述高低电压穿越监测评估单元为风电数采控制器；
和监测评估结果输出单元，用于记录数据和比对结果判定变流器状态并输出记录和判定结果；所述监测评估结果输出单元为风电数采控制器及其通信接口。
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