CN116613753B - 一种风电机组的电能表容错运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种风电机组的电能表容错运行控制方法，基于多电能表风电机组特性，采用一种故障时间容错机制，将故障本身鲁棒性扩大到系统级鲁棒性容错，实现在单块电能表异常的情况下，风电机组仍能进行容错非限功率运行，从而不至于故障停机。本发明针对目前绕组上网侧配备独立的网侧断路器的多绕组并联风电机组，利用变流器单绕组运行功能来实现在某套绕组电能表异常的情况下，即使风电机组容错运行超出最大容错时间，风电机组仍进行容错限功率运行。解决风电机组因单块电能表损坏造成的发电量过大损失问题。

Description

一种风电机组的电能表容错运行控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风电机组的电能表容错运行控制方法。

背景技术

海上风电机组具有单机容量大的特点，其发电机采用全功率变流器多绕组风力发电机，变流器以AC/DC/AC的方式与电网相连，其中较多采用双绕组三相永磁电机，并采用双绕组并联方式运行。如图1所示一种并联方式为两个绕组分别与变流器机侧相连，由变流器控制两套绕组功率均衡，变流器机侧接收风力发电机产生的有功功率，并将功率通过直流环节送往电网侧变流器，电网侧变流器也用来控制功率因数或支持电网电压。电网侧变流器通过调节定子侧的dq轴电流，实现转速调节及电机励磁与转矩的解耦控制，使发电机运行在变速恒频状态，额定风速以下具有最大凤能捕获功能。电网侧变流器通过调节网侧的dq轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功和无功的解耦控制，控制流向电网的无功功率，通常运行在单位功率因数状态。

多电能表风电机组一般采用的是多绕组并联结构，每套绕组配备一块电能表采集并网点的电量。每套绕组相对独立，电能表采集的电能参数存在差异。

目前对于多电能表风电机组整机故障保护机制，只要有一块电能表损坏或电能表与主控PLC通讯异常，机组只能故障停机。若风电项目现场无法及时更换电能表或排查出通讯异常问题点，将会造成风电机组长时间停机，导致较大的发电量损失，特别是对于海上风电项目来说，海上年平均风速高，但是出海去机位检修困难，风电机组的某一块电能表出现异常，若无法及时处理故障，造成的发电量损失更大。

发明内容

本发明基于多电能表风电机组特性，采用一种故障时间容错机制，将故障本身鲁棒性扩大到系统级鲁棒性容错，实现在单块电能表异常的情况下，风电机组仍能进行容错非限功率运行，从而不至于故障停机。本发明针对目前绕组上网侧配备独立的网侧断路器的多绕组并联风电机组，利用变流器单绕组运行功能来实现在某套绕组电能表异常的情况下，即使风电机组容错运行超出最大容错时间，风电机组仍进行容错限功率运行。解决风电机组因单块电能表损坏造成的发电量过大损失问题。

一种风电机组的电能表容错运行控制方法，所述风电机组包括一台风力发电机、两台变流器、信号采集单元、PLC控制器，所述变流器为背靠背双PWM变流器，均包含有机侧变流器和网侧变流器，所述风力发电机具有三相绕组，每相绕组具有两组子绕组，各组子绕组中两组子绕组相对称，各组的子绕组在风力发电机内部分别独立形成连接构成独立绕组回路，各组子绕组的输出端分别与一台机侧变流器相连，两台网侧变流器与电网并网点相连，每套独立绕组回路通过一个电能表采集并网点的电压、频率和和网侧电流，然后上传给PLC控制器；

所述容错运行控制方法包括如下步骤：

检查电能表是否异常，若其中一个电能表存在异常，则使风电机组在设定的时间内在非限功率状态下按以下方式容错运行：

a）每套独立绕组回路共用未异常的电能表在并网点采集的电压值与频率值；

b）异常电能表需采集的网侧电流用对应独立绕组回路上网侧变流器的电流替代；

c）风电机组总的发电量与耗电量按未异常电能表的2倍计算；

d）若风电机组主控系统具备整机损耗系数自整定功能，且整机损耗系数自整定完毕，输出整机损耗系数为 Lf ，异常电能表需输出的独立绕组回路的网侧有功功率为Pd，，Pa为 未异常的电能表需输出的独立绕组回路的网侧有功功率，T1和T2分别为两台变流器的转矩，ω为风力发电机转速；

若整机损耗系数未整定完毕，或风电机组主控系统不具备整机损耗系数自整定功能，异常电能表需输出的独立绕组回路的网侧有功功率，用对应独立绕组回路上变流器有功功率减去该变流器需承担的自耗功率后的值替代，若该变流器未承担自耗功率，则用对应独立绕组回路上变流器有功功率替代；

e）若变流器无功闭环的反馈输入来自于电能表的无功功率，则在容错运行期间，风电机组不响应风电场场级无功功率控制器的无功指令，风电机组总的无功功率按两倍未异常电能表的无功功率计算；

若变流器无功闭环的反馈输入不来自于电能表的无功功率，则异常电能表需检测的网侧的无功功率用对应独立绕组回路上变流器的无功功率替代。

进一步的，超过设定时间后，异常的电能表若仍然未恢复正常，对于变流器具备单绕组运行的风电机组，实施容错限功率运行模式，其中限功率值为额定功率的一半，使异常的电能表对应的独立绕组回路的变流器停止运行，对于变流器不具备单绕组运行风电机组，实施故障停机。

进一步的，所述变流器需承担的自耗功率通过估算或额外设置的电能表采集。

进一步的，检查电能表是否异常包括以下步骤：

S11：若电能表传递给PLC控制器的数字量输入由高电平到低电平发生跳变异常，则判断为电能表异常；

S12：若电能表与PLC控制器通讯异常，则电能表上传给PLC控制器的数据不再刷新，则判断为电能表异常。

本发明具有以下有益效果：

1、风电机组电能表容错运行技术，提高了风电机组控制系统的鲁棒性，可以有效减少风电机组故障时间，增大风电机组可利用发电小时数，后期经济效益明显。

2、电能表容错运行技术作为一种间接冗余技术为风电机组控制冗余技术提供了新思路。

附图说明

图1为风力发电系统的结构示意图；

图2为风电机组电能表容错运行控制流程图；

图3为风电机组电能传输模型。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

以一台安装双电能表的双绕组并联风电机组为例，说明本发明提供的风电机组电能表容错运行控制方法。本发明的风电机组包括风力发电机、变流器、信号采集单元、PLC控制器，变流器为背靠背双PWM变流器，均包含有机侧变流器和网侧变流器，风力发电机内部包括具有多相定子绕组的定子和若干个信号采集单元（即电能表），每相定子绕组包括两组以上的子绕组，各组子绕组中两组子绕组相对称。各组的子绕组在风力发电机内部分别独立形成连接构成独立绕组回路，各子绕组的输出端分别与一个机侧变流器相连，两网侧变流器与电网并网点相连。机侧变流器将风电机组产生的电能转换成直流电，再由网侧变流器将该直流电转换为交流电接入电网。

每个子绕组构成的独立绕组回路分别配备一个信号采集单元，信号采集单元采集同一个并网点的电压、频率和网侧电流，然后上传给PLC控制器。

图3所示，是风电机组的电能传输模型，两块电能表分别采集两套绕组（即两独立绕组回路）的电量，其中1#变流器承担400V自耗电，网侧电量上传给主控系统，400V自耗电包含风电机组偏航、水冷系统等消耗的电能（Ws）。

为了降低风电机组故障率，本实施方式的容错控制方法，包括容错非限功率与容错限功率两种模式，包括如下步骤：

1）检查电能表是否异常，包括电能表损坏或与PLC控制器通讯异常，包括以下步骤：

S11：若电能表传递给PLC控制器的数字量输入由高电平到低电平发生跳变异常，则判断为电能表异常；

S12：若电能表与PLC控制器通讯异常，则电能表上传给PLC控制器的数据不再刷新，则判断为电能表异常。

若存在一块电能表异常，人为干预情况下（在中控画面（HMI）上开启电能表容错使能）机组在96小时内进行限时容错运行（即容错非限功率模式），限时容错运行阶段，风电机组报电能表损坏警告，但是风电机组可以继续发电。其中，96小时是基于实际经验判定，主要考虑是风电机组两套绕组的发电量是存在一定静差的，若时间过长，比如超过96小时，风电场那边发电量统计偏差过大，电厂可能会出现发电量统计报错的问题。

限时容错运行阶段借助变流器上传给PLC控制器的电量来进行近似等价替换。异常电能表所检测网侧绕组电量替换具体方式如下：

11）考虑到两套绕组并联，两块电能表采集同一个并网点的电压，采集的电压、频率相等，因此两套绕组共用未异常的电能表采集的电压值与频率值；

12）电能表需检测的网侧电流与对应独立绕组线路上的负载有关，异常电能表需检测的网侧电流用网侧变流器的电流近似替代；

13）由于电能表限时容错运行的时间最长只有 96 小时，风电机组两套绕组的发电量与耗电量差别不会很大，因此风电机组总的发电量与耗电量等于容错运行电能表（未损坏电能表）的2倍累加；

14）若风电机组主控系统具备整机损耗系数自整定功能（整机损耗系数自整定功能使能为TRUE），且整机损耗系数自整定完毕（该功能块输出损耗系数整定完毕标志位），输出整机损耗系数为Lf，则若有一块电能表损坏，未损坏电能表检测有功功率为Pa，则损坏电能表的有功功率；其中T1为1#变流器转矩，T2为2#变流器转矩，ω为发电机转速。

若风电机组主控系统不具备整机损耗系数自整定功能，或整机损耗系数未整定完毕，则若1#电能表损坏，1#绕组网侧有功功率等于1#电能表对应绕组的变流器有功功率减去400V负载的自耗电（自耗电可以新增一个电能表进行检测，或离线计算一个大概值，默认为20kw）；若2#电能表损坏，2#绕组网侧有功功率等于2#电能表对应绕组的变流器有功功率；

15）若变流器无功闭环的反馈输入来自于电能表的无功功率，则在电能表容错期间，风电机组不响应VMP（风电场场级无功功率控制器）的无功指令，风电机组总的无功功率等于两倍正常电能表的无功功率，原因是1#和2#的变流器无功功率输出是独立的，一旦电能表损坏，变流器的无功闭环失去了反馈输入，将导致变流器的无功控制发散，影响电网特性；

若变流器无功闭环的反馈输入不是来自于电能表的无功功率，则损坏电能表需检测的网侧的无功功率近似用变流器的无功功率替代。

2）超过96小时之后，异常的电能表若仍然未替换，对于变流器具备单绕组运行的风电机组，实施容错限功率运行模式，其中限功率值为额定功率的一半，使异常的电能表对应的独立绕组回路的变流器停止运行，对于变流器不具备单绕组运行风电机组，仍实施故障停机，具体控制流程见图2所示。

Claims (3)

1.一种风电机组的电能表容错运行控制方法，所述风电机组包括一台风力发电机、两台变流器、信号采集单元、PLC控制器，所述变流器为背靠背双PWM变流器，均包含有机侧变流器和网侧变流器，所述风力发电机具有三相绕组，每相绕组具有两组子绕组，各组子绕组中两组子绕组相对称，各组的子绕组在风力发电机内部分别独立形成连接构成独立绕组回路，各组子绕组的输出端分别与一台机侧变流器相连，两台网侧变流器与电网并网点相连，每套独立绕组回路通过一个电能表采集并网点的电压、频率和网侧电流，然后上传给PLC控制器；

其特征在于，所述容错运行控制方法包括如下步骤：

检查电能表是否异常，若其中一个电能表存在异常，则使风电机组在设定的时间内在非限功率状态下按以下方式容错运行：

a）每套独立绕组回路共用未异常的电能表在并网点采集的电压值与频率值；

b）异常电能表需采集的网侧电流用对应独立绕组回路上网侧变流器的电流替代；

c）风电机组总的发电量与耗电量按未异常电能表的2倍计算；

d）若风电机组主控系统具备整机损耗系数自整定功能，且整机损耗系数自整定完毕，输出整机损耗系数为L_f，异常电能表需输出的独立绕组回路的网侧有功功率为Pd，，Pa为未异常的电能表需输出的独立绕组回路的网侧有功功率，T1和T2分别为两台变流器的转矩，ω 为风力发电机转速；

若整机损耗系数未整定完毕，或风电机组主控系统不具备整机损耗系数自整定功能，异常电能表需输出的独立绕组回路的网侧有功功率，用对应独立绕组回路上变流器有功功率减去该变流器需承担的自耗功率后的值替代，若该变流器未承担自耗功率，则用对应独立绕组回路上变流器有功功率替代；

e）若变流器无功闭环的反馈输入来自于电能表的无功功率，则在容错运行期间，风电机组不响应风电场场级无功功率控制器的无功指令，风电机组总的无功功率按两倍未异常电能表的无功功率计算；

若变流器无功闭环的反馈输入不来自于电能表的无功功率，则异常电能表需检测的网侧的无功功率用对应独立绕组回路上变流器的无功功率替代；

检查电能表是否异常包括以下步骤：

S11：若电能表传递给PLC控制器的数字量输入由高电平到低电平发生跳变异常，则判断为电能表异常；

S12：若电能表与PLC控制器通讯异常，则电能表上传给PLC控制器的数据不再刷新，则判断为电能表异常。

2.根据权利要求1所述的风电机组的电能表容错运行控制方法，其特征在于，超过设定时间后，异常的电能表若仍然未恢复正常，对于变流器具备单绕组运行的风电机组，实施容错限功率运行模式，其中限功率值为额定功率的一半，使异常的电能表对应的独立绕组回路的变流器停止运行，对于变流器不具备单绕组运行风电机组，实施故障停机。

3.根据权利要求1所述的风电机组的电能表容错运行控制方法，其特征在于，所述变流器需承担的自耗功率通过估算或额外设置的电能表采集。