馮煜堯, 張開華, 諸浩君, 王 健, 魏書榮, 符 楊

(1. 國家電網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院,上海 200437;2. 上海綠色環(huán)保能源有限公司,上海 200433;3. 上海電力學院 電氣工程學院,上海 200090)

海上雙饋電機開路故障容錯性能評估*

馮煜堯1, 張開華2, 諸浩君2, 王 健3, 魏書榮3, 符 楊3

(1. 國家電網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院,上海 200437;2. 上海綠色環(huán)保能源有限公司,上海 200433;3. 上海電力學院 電氣工程學院,上海 200090)

海上風電機組面臨故障率高、停運損失大等問題，迫切需要及早發(fā)現(xiàn)運行故障、及時提供容錯機制。構(gòu)建基于西蒙決策理論的雙饋風力發(fā)電機開路故障容錯設(shè)計方案，選取電能質(zhì)量和風力發(fā)電機組可靠性作為典型評估指標。結(jié)合雙饋風力發(fā)電機組機側(cè)變流器單相開路故障容錯案例，給出量化的容錯性能指標。結(jié)果表明及時有效的故障容錯機制能夠提高海上風電場的可用率，避免故障惡化，降低故障帶來的經(jīng)濟損失。

海上風電；雙饋電機；開路故障；容錯評估

0 引 言

風力發(fā)電已經(jīng)成為新能源應(yīng)用的主要方式，其規(guī)?；l(fā)展已經(jīng)成為我國當前風電發(fā)展的重要任務(wù)[1-2]。海上風力發(fā)電系統(tǒng)由于受到海洋環(huán)境的影響，風力發(fā)電機組極易發(fā)生故障，相比陸上風電場，海上風機故障率更高，維護成本大大增加[3-4]；而且，海上風電場的可進入性差，一旦發(fā)生故障，受天氣等因素影響，無法對其及時維修，風機容量大，風速穩(wěn)定，風機停運造成的經(jīng)濟損失巨大[5]。在故障產(chǎn)生時，需要一種新型的控制方法來滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。容錯控制為提高復(fù)雜控制系統(tǒng)的可靠性和安全性開辟了一條新的道路。為了降低海上風電場的維護成本，以及提高風機的平均可用率，近年來對于海上風力發(fā)電的故障容錯研究開始引起關(guān)注[6-8]。但是目前的海上風電容錯技術(shù)僅是針對某個或某類問題的簡單技術(shù)性容錯，鮮有系統(tǒng)的容錯方案設(shè)計過程和量化的系統(tǒng)的容錯評估指標。

本文提出了關(guān)于海上風力發(fā)電開路故障容錯方案的設(shè)計過程，包括方案的擬定、優(yōu)化、驗證以及方案系統(tǒng)性評估指標等。最終結(jié)合案例雙饋風力發(fā)電機組機側(cè)變流器開路故障容錯控制來分析方案設(shè)計的合理性和評估指標的適用性。

1 基于西蒙決策理論的雙饋風電機組開路故障容錯方案

西蒙決策理論[9]是從認知科學的角度把決策程序劃分為信息活動、設(shè)計活動、選擇活動、審查活動4個階段。西蒙四步走的決策過程劃分，是一種多層次的循環(huán)，整個程序的總體邏輯始終是明確的，即提出問題→給出解決問題的方案→選擇備選方案中的優(yōu)選方案→對選定方案進行可能的修正。正是這一點使這一程序同決策科學化高度關(guān)聯(lián)。西蒙四步走的決策過程應(yīng)用在容錯運行研究中的具體實現(xiàn)流程如圖1所示。

首先確定雙饋風力發(fā)電機組的容錯目標;然后分析評估容錯的可行性，并擬定容錯方案，分析方案的優(yōu)缺點，并針對不同故障擇優(yōu)選擇容錯方案;最后對方案進行驗證反饋，對存在的問題進行修正改進，以達到容錯目標。

1.1制定容錯目標

先在不同的運行環(huán)境下分析不同類型的故障容錯運行的可行性，并確定目標層次。容錯運行主要目標是故障容錯后在可接受的性能指標變化

圖1 容錯決策流程

下，繼續(xù)穩(wěn)定可靠運行。第二位目標是盡可能實現(xiàn)功率的最大輸出。因此具體的容錯目標為：當檢測到雙饋風力發(fā)電機組故障后，在故障保護動作時間內(nèi)，將發(fā)生故障的部件從系統(tǒng)中隔離開，并采取合理有效的容錯方案維持其規(guī)定功能，或在可接受的性能指標變化下，繼續(xù)穩(wěn)定可靠運行。

1.2擇優(yōu)選取容錯方案

本文針對風力發(fā)電機組的單相開路故障，引入了一種具有容錯能力的雙饋風力發(fā)電機組拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。本文在圖2的電路拓撲基礎(chǔ)上側(cè)重研究雙饋風力發(fā)電機組的輕微故障及其容錯方案[6]。

根據(jù)實際運行環(huán)境和客觀條件，擇優(yōu)選擇硬件容錯重組方案以及軟件優(yōu)化算法。

雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組故障會給風力發(fā)電系統(tǒng)的正常運行帶來極大危害。現(xiàn)有研究主要針對雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)變流器IGBT故障，通過增加冗余橋臂來實現(xiàn)容錯運行;而增加一組IGBT橋臂既增加機艙空間又增加成本投入。在實際應(yīng)用中，針對變流器的單相故障，選擇方案1，即直流環(huán)節(jié)串聯(lián)兩個相等的電容，發(fā)電機的繞組通過3 個雙向晶閘管(TRIAC)與串聯(lián)電容的中點相連。本方案可用于機側(cè)變流器的故障容錯研究，在硬件結(jié)構(gòu)和軟件優(yōu)化算法上相比其他方案都更易實現(xiàn)。因此，本文重點評估非冗余備份式雙饋風力發(fā)電機組開路故障的容錯性能。

圖2 雙饋風力發(fā)電機組硬件容錯拓撲

2 容錯性能評估指標

在評估容錯方案之前首先需要有不同的準則對容錯決策進行約束，以實現(xiàn)容錯方案的最優(yōu)化。因此,容錯評估指標的選取至關(guān)重要。本文選取容錯后的電能質(zhì)量和可靠性評估海上雙饋電機的容錯性能。

2.1電能質(zhì)量

風電場并網(wǎng)發(fā)電過程中，在與系統(tǒng)的公共連接點處，容易發(fā)生如下4類常見的電能質(zhì)量污染[10]：電壓偏差、電壓波動、諧波、三相電壓不平衡。

(1) 電壓偏差。由電力系統(tǒng)的知識可知，系統(tǒng)無功功率的不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏離標稱值的根本原因。其數(shù)學表達式為

式中:δU——電壓偏差；

Ure——電壓測量值；

UN——系統(tǒng)標稱電壓。

風電場的運行狀況不同，會對并網(wǎng)點的電壓偏差程度產(chǎn)生直接影響。

(2) 電壓波動和閃變。本文主要考慮單臺風電機組輸出功率的變化對電壓波動和閃變的影響。電壓波動常用相對電壓變動量來描述，電壓波動取值為一系列電壓方均根值變化中的相鄰兩個極值之差與系統(tǒng)標稱電壓的相對百分數(shù)，即：

(3) 諧波。對于海上風電機組來說，風力發(fā)電并網(wǎng)過程中會產(chǎn)生諧波，其中對于發(fā)電機本身而言，其產(chǎn)生的諧波是可以忽略的。需要考慮的是雙饋風力發(fā)電機組的諧波注入問題以及風電機組輸出諧波變化情況。

因諧波引起的偏離正弦波的畸變波形程度，以總諧波畸變率THD表示：

式中:h——諧波次數(shù)；

U1——基波電壓；

I1——基波電流。

(4) 三相不平衡度。系統(tǒng)不平衡分兩大類：事故性不平衡和正常性不平衡。由于三相系統(tǒng)中的一相(或兩相)發(fā)生故障所導(dǎo)致的不平衡稱為事故性不平衡，這種不平衡是電力系統(tǒng)所不允許的運行狀態(tài)。正常性不平衡是由于系統(tǒng)三相元器件或負荷不對稱導(dǎo)致的，因此可以作為衡量故障容錯運行的一項指標。

系統(tǒng)正常運行時，電量的負序分量方均根值與正序分量方均根值之比定義為該電量的三相不平衡度，用ε表示，即：

式中:U1——電壓正序分量方均根值；

U2——電壓負序分量方均根值；

I1——電流正序分量方均根值；

I2——電流負序分量方均根值。

2.2可靠性

可靠性指標從定義上講是一個統(tǒng)計值，從本質(zhì)上說，可靠性指標不是一個可以通過數(shù)學方法精確計算的數(shù)值，并且機組故障、維護管理等都是隨機的。海上風電場設(shè)備一旦故障，受到海上風浪的影響，工作人員有時不可立即赴現(xiàn)場勘察維修。這使得海上風電場故障停運時間大大增長，系統(tǒng)可靠性降低?？紤]到風能特性和電氣設(shè)備故障的影響，擬選取以下可靠性指標評估容錯性能。

(1) 海上風力發(fā)電機組全年可利用率A。風力發(fā)電機組可靠性量化指標以機組運行可利用率來度量[11]。電力行業(yè)標準DL/T793—2001《發(fā)電設(shè)備可靠性評價規(guī)程》給出了機組可用率的定義如下：

通常在工程應(yīng)用中風力發(fā)電機組的可用率可定義為在評估期間內(nèi)，風電機組處于能夠運行(發(fā)電、起動、停車)或能夠發(fā)電的待機狀態(tài)的時間與這一期間內(nèi)總時間的比值。通常風力發(fā)電機組的年可用率用百分比表示為

式中: 8 760——全年小時數(shù)；

Tf——故障停機小時數(shù)。

(2) 風力發(fā)電機組年發(fā)電量(kW·h)。假設(shè)風力發(fā)電機組的年發(fā)電量只與故障停運率有關(guān)，而忽略風能對發(fā)電機組輸出功率的影響，則單臺機組的年發(fā)電量為

式中:PG——發(fā)電機組的額定輸出功率。

(3) 期望電能損失(kW·h)

(4) 風電場年發(fā)電量(kW·h)。若僅考慮風力發(fā)電機組的故障，則整個海上風電場的出力為

式中:n——風電場的風機數(shù)；

Ai——第i臺風機的可用率。

則海上風電場風電機組年平均功率為

3 案例分析

采用雙饋風力發(fā)電機機側(cè)變流器開路故障作為容錯案例分析。

機側(cè)變流器開路故障為海上雙饋風力發(fā)電機的常見電氣故障，已有文章[6,12]分析研究，在技術(shù)上具有可行性。本文采取根據(jù)故障特點選取擬定的方案1，其試驗系統(tǒng)總體如圖3所示。

圖3 雙饋風力發(fā)電機組故障容錯系統(tǒng)試驗裝置

根據(jù)西蒙決策理論制定最終容錯目標：在檢測到雙饋風力發(fā)電機組故障后，在故障保護動作時間內(nèi)，及時將發(fā)生故障的部件從系統(tǒng)中隔離開，并同時采取合理有效的容錯方案維持其穩(wěn)定可靠運行。

先從單臺風力發(fā)電機組入手，對故障容錯狀態(tài)的電能質(zhì)量進行評估，再考慮整個風電場在有、無容錯機制情況下的電能輸出。本文主要對風力發(fā)電機組故障容錯后一些主要的電氣參數(shù)的波形進行了分析，使在故障容錯后的畸變電流得到補償。以風力發(fā)電機組輸出電壓和電流為研究對象，采用可行的電能質(zhì)量指標對輸出電壓進行評估，采用可靠性指標對容錯運行機組進行評估。

3.1容錯后電能質(zhì)量指標計算分析

設(shè)定風力發(fā)電機組在 2 s開始進入故障容錯狀態(tài)，本文分別采集了風力發(fā)電機組的輸出電壓和電流波形以及其正序負序分量進行了分析，如圖4所示。

圖4中2 s開始容錯運行，風機輸出電壓和電流的正序分量和負序分量基本與正常運行時的值一致，只有在切換容錯運行的時刻，系統(tǒng)需要一定的響應(yīng)時間，電流的負序分量出現(xiàn)了一個峰值，其數(shù)值的大小對整個系統(tǒng)正常運行的影響可以忽略。

圖4(a)中可得容錯前后電壓幅值未出現(xiàn)明顯變動，不存在電壓偏差和閃變。根據(jù)三相不平衡度的計算公式，本節(jié)分別計算求得風力發(fā)電機組輸出電壓和電流的正、負序分量方均根值，并根據(jù)式(5)計算三相不平衡度，計算結(jié)果如表1所示。

表1 風力發(fā)電機組容錯運行狀態(tài)下的三相不平衡度

從表1的計算結(jié)果可以看出，故障容錯運行中電壓和電流的不平衡度在可接受的指標范圍內(nèi)。

由于電力電子元器件的存在，風力發(fā)電機組的輸出存在諧波分量，本文在開路故障后對原有的電路拓撲結(jié)構(gòu)進行了微小的改動，在這種容錯運行方式下，諧波含量可以作為一種評估指標。分別對風力發(fā)電機組輸出電壓和電流進行了傅里葉分析，正常運行時電壓諧波畸變率約為0.18%，電流諧波畸變率約為0.85%，容錯運行后電壓諧波畸變率約為0.38%，電流諧波畸變率約為11.98%。圖5和圖6分別為正常運行狀態(tài)和容錯運行狀態(tài)下風力發(fā)電機組輸出電壓和電流的各次諧波所占基波的百分比。

圖4 雙饋風力發(fā)電機組容錯運行前后輸出電壓、電流及其正序負序分量波形

圖5 雙饋風力發(fā)電機組容錯運行前后輸出電壓諧波

圖6 雙饋風力發(fā)電機組容錯運行前后輸出電流諧波

從圖5可得，正常和容錯運行狀態(tài)下的電壓諧波變化規(guī)律相似，輸出電壓低次諧波所占的百分比有所降低，高次諧波所占的百分比有所升高，總諧波畸變率較大。圖6中，正常運行下，電流含有較高的低次諧波。由于變流器結(jié)構(gòu)的改變，諧波含量和各次諧波所占比重在容錯運行下可能會與正常運行下有所不同，但總的波形畸變率遠小于最大允許值，對系統(tǒng)的影響較小。

3.2容錯能力分析

假設(shè)全年內(nèi)僅發(fā)生機側(cè)變流器單相開路故障，且故障前后風速不變，正常全年發(fā)電時間為8 760 h，單臺機組的額定輸出功率為P，設(shè)因故障停機時間為T(其中90%T是因天氣等因素導(dǎo)致的等待時間，7%T是備件時間，僅3%T為部件維修時間)，計劃維修導(dǎo)致的停機時間為Tm，則無故障容錯運行下機組的年可用率為

單臺機組全年發(fā)電量(kW·h)為

期望電能損失(kW·h)為

根據(jù)式(9)可計算整個風電場的年發(fā)電量(kW·h)為

式中:Pi——第i臺風機的額定輸出功率。

根據(jù)式(10)，海上風電場風電機組年平均功率為

若故障發(fā)生后及時進行故障隔離和容錯運行，則帶有故障容錯運行機制的風電組年可用率為

單臺機組全年發(fā)電量(kW·h)為

期望電能損失(kW·h)為

根據(jù)式(9)可計算整個風電場的年發(fā)電量(kW·h)為

根據(jù)式(10)可計算海上風電場風電機組年平均功率為

設(shè)某海上風電場每臺機組的額定輸出功率為1.5 MW，共有N臺機組。風電機組中變流器在某一時刻發(fā)生開路故障，導(dǎo)致風機停運，需要立即對其進行維修，忽略其他因素導(dǎo)致的停機時間。假設(shè)風電機組無故障狀態(tài)下，該風電場風機的平均修復(fù)時間為490 h，則平均備件時間為35.28 h，因為天氣因素無法出海維修的等待時間為441 h，維修故障部件所需的時間為1.47 h。若故障發(fā)生后及時進行故障隔離和容錯運行，則在出海維修部件前，系統(tǒng)都能持續(xù)可靠運行。有、無容錯機制下所生成的風機的隨機故障時序圖如圖7所示。

圖7 海上雙饋風機時序圖

圖7中，風機狀態(tài)為兩種，狀態(tài)1為正常工作，狀態(tài)0為故障。具有容錯機制的風電機組的全年故障停機時間大大減少。

若該海上風電場中，風電機組中變流器在某一時刻發(fā)生開路故障后，能及時進行容錯運行，直至下次人為計劃維修，可提高風電機組的利用率。該海上風電場的有無容錯方案的可靠性計算和電能質(zhì)量評估指標計算如表2所示。

表2 海上風力發(fā)電故障容錯性能評估結(jié)果

從表2可以明顯看出，有容錯機制單臺機組的可用率有所提高，期望電能損失降低了1 500×TkW·h，風電場的年發(fā)電量提高了1 500×T×NkW·h。由上述分析可知，有容錯機制的海上風力發(fā)電機組可明顯提高機組的可用率，減少故障停機損失。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合西蒙決策理論對雙饋風力發(fā)電機組的容錯決策設(shè)計過程進行了探究，制定了一般容錯方案的容錯設(shè)計流程，并選取了電能質(zhì)量和可靠性作為容錯評估指標，以雙饋風力發(fā)電機組機側(cè)變流器開路故障容錯控制作為分析案例，驗證了決策過程和評估指標的合理性，為海上風力發(fā)電的容錯決策和評估體系提供了量化的數(shù)據(jù)支撐。

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ThePerformanceEvaluationofOpen-CircuitFaultToleranceOffshoreWindDFIGs*

FENGYuyao1,ZHANGKaihua2,ZHUHaojun2,WANGJian3,WEIShurong3,FUYang3

(1. State Grid Electric Power Research Institute, SMEPC, Shanghai 200437, China;2. Shanghai Green Environmental Protection Energy Co., Ltd., Shanghai 200433, China;3. College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Faced with high failure rate and large outage losses, offshore wind farms needed to find operation faults and provided fault-tolerant mechanism as soon as possible doubly-fed wind generators (DFIGs) open-circuit fault-tolerant projects were built based on simon decision theory, which took power quality and wind turbine reliability as typical evaluation standards. The tolerant effect was evaluated combining the example that was doubly-fed wind generators rotor side converter single phase open circuit fault. The results showed that timely and effective fault-tolerant mechanism could raise availability, avoid fault deterioration and reduce economic losses caused by faults in offshore wind farms.

offshorewindpower;doubly-fedwindgenerator;open-circuitfault;toleranceevaluation

上海市綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心基金項目(13DZ2251900);上海市科委科技創(chuàng)新項目(14DZ1200905);“電氣工程”上海市II類高原學科;上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室基金項目

馮煜堯(1983—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制研究。張開華(1963—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為海上風電場規(guī)劃、建設(shè)與運行等。

TM 307+.1

A

1673-6540(2017)11- 0111- 07

2017 -03 -13