直驱风电机组的风电场建模及联络线故障研究

阎 智，林雪峰

(中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830047)

随着环境问题的日益凸显，在国家政策鼓励支持风电发展的背景下，风电发展迅猛，风电并网容量占系统容量的比例也越来越大，风电接入对电力系统继电保护的影响也越来越不容忽略。直驱风力发电机由其优越性成为主流机型广泛应用于风电场。而直驱风电机组受风速变化的影响，导致其故障特性与常规同步发电机的故障特性存在明显差异。

文章研究了直驱风电机组的数学模型和控制策略，在此基础上，搭建基于直驱风电机组的风电场模型。仿真其稳态特性，验证搭建模型的正确性。并仿真风电场联络线故障时风电场侧和系统侧电流、电压、电流三序分量、电压三序分量，分析上述研究对象的变化趋势及原因，指出直驱风电场联络线发生任何类型的不对称接地故障，风电场侧都会表现出弱电源特性，单相接地故障表现出的弱电源特性更为突出，而系统侧不存在弱电源特性现象，研究指出直驱风电场弱电源特性会对故障选相元件产生加大影响，严重时会造成选相失败。

1 直驱风电机组数学模型及控制策略

1.1 风电机组结构

直驱永磁同步风电机组主要包括以下几部分：永磁发电机、桨距控制风力机、发电机侧变流器、直流环节和电网侧变流器，见图1。

图1 直驱风力发电机系统结构

1.2 直驱风电机的数学模型

在分析永磁同步发电机的稳态和暂态特性时经常将其转换在d、q坐标轴下的模型。发电机基波磁场方向为d轴方向，q轴旋转方向超前d轴90°。

在dq坐标系下定子磁场的磁链方程为：

联立以上两式得：

式中：d、q分别代表在d轴或q轴的分量。Ud为机端电压的d轴分量；Uq为机端电压的q轴分量；Ld为定子电感d轴分量；Lq为定子电感q轴分量；id为机端电流的d轴分量；iq为机机端电流的轴分量；ωr为发电机电磁转速；ψf磁通；Rs定子电阻。

1.3 直驱风电机并网控制模型

1.3.1 机侧变流器控制策略

机侧变流器通过控制有多种方式，本文采用的是发电机的定子电流id=0的转子磁链矢量控制，从而控制了电磁转矩Te，最后实现对发电机转速的控制。控制策略框图及仿真模型见图2。

图2 直驱机组机侧控制图

机侧变流器通过双环(转速的外环和电流内环)控制。对转矩、转速的控制是通过d、q轴电流对参考电流idref、iqref的跟踪实现的。最佳转速的求取是通过对实际发电机转子角与iqref的差追踪而实现的，可以完成变流器器对PMSG的实时最大功率跟踪。通过D轴的参考电流值设置为iqref＝0，从而实现单位功率因数，使得发电机无功为零。

1.3.2 网侧逆变器控制策略

本文的网侧逆变器是基于电网电压定向矢量的控制策略，控制框图及仿真模型入见图3。

图3 PMSG网侧控制图

网侧逆变器的有功和无功功率输出为：

由于电网电压在q轴上的值等于0，因此usq＝0，因此上式化简可得：

侧逆变器是基于电网电压定向矢量的控制策略

也是通过两环(电压外环和电流内环)控制实现的。根据上式，若使isq＝0，那么无功输出就为0，就可以实现直驱机组的单位功率因数并网。在这里设定iqref＝0，就可以实现了单位功率因数并网、有功无功的解耦控制。

2 基于直驱风电机组的风电场建模

根据上节有关直驱风电机组数学模型，在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建直驱风电机组电场仿真模型，搭建的风电场由5台直驱风电机组构成，单台直驱风电机组容量为1.5 MW，每台机组经一个箱变升压至35 kV，5台风机由一条长3 km集电线路送至升压变，风电场通过升压变升压至110kV，再经50 km联络线并入电网。系统容量为100 MVA，系统正序阻抗为1.31pu，其他相关参数在以下表1中列出。图4为直驱风电场并网仿真模型。

图4 风电机场并网仿真模型

表1 直驱风电机组参数

3 风电场稳态及暂态特性仿真

3.1 直驱风电场稳态特性仿真

风电场稳定运行，仿真风速为12 m/s，风电场联络线的风电场侧保护测得数据结果见图5。

图5 直驱风电场并网仿真曲线

从仿真结果可以看出，直驱风电场在正常运行时，有功无功输出稳定，无功输出为0，风电场输出的电压和电流图形为标准正弦曲线，电压输出为额定电压，说明了所搭建的风机场模型的正确性。

3.2 直驱风电场暂态特性仿真

设置在0.4 s时刻，在风电场联络线上距离风电场侧保护安装40 km(80%)处发生单相、两相和三相永久性接地故障，风电场高压侧母线测得数据结果见图6。

图6 直驱风电场联络线单相接地风电场侧仿真曲线

仿真结果可以看出当双馈风电场联络线发生单相接地故障时，风电场侧故障相电流与非故障相电流幅值相位基本相同，可提供持续恒定的短路电流，故障电流主要是由零序分量组成；故障相电压跌落至一定值，非故障相电压基本无变化，故障相电压主要由正序分量构成。

图7 直驱风电场联络线单相接地系统侧仿真曲线

仿真结果可以看出当联络线发生单相接地故障时，系统侧故障相电流与非故障相电流幅值相位有明显区别，可提供持续恒定的短路电流，故障相电流远大于非故障相电流，主要是由正序和负序分量组成，且正序分量的电流和负序分量的电流大小相等；故障相电压跌落至一定值，非故障相电压无变化，故障电压主要是零序分量构成，正序分量和负序电压分量相等远小于零序分量电压。

图8 直驱风电场联络线两相接地风电场侧仿真曲线

仿真结果可以看出当直驱风电场联络线发生两相接地故障时，风电场侧故障相电流与非故障相电流大小和幅值基本相同，能提供持续恒定的短路电流，故障电流中依然是零序电流大于正序和负序电流；故障相电压跌落至一定值，非故障相电压基本不变，故障电压主要由正序和负序分量构成，两者大小相等，零序电压很小。

图9 直驱风电场联络线两相接地系统侧仿真曲线

仿真结果可以看出当联络线发生两相接地故障时，系统侧故障相电流与非故障相电流幅值相位有明显区别，可提供持续恒定的短路电流，故障相电流远大于非故障相电流，主要是由正序和负序分量组成，两者远大于零序分量；故障相电压跌落至一定值，非故障相电压无变化，故障电压主要是正序分量构成，零序分量电压较小。

图10 直驱风电场联络线三相接地风电场侧仿真曲线

仿真结果可以看出当直驱风电场联络线发生三相接地故障时，风电场侧故障时电流瞬间增大，并且可以提供一个持续恒定的短路电流，故障后电流主要由正序分量组成，故障后续电压瞬间跌落至0。

仿真结果可以看出当联络线发生三相接地故障时，故障时系统侧电流瞬间增大，可提供持续恒定的短路电流，故障相电流主要是由正序分量组成，负序和零序分量为0；电压跌落至一定值，故障电压主要是正序分量构成。

图11 直驱风电场联络线三相接地系统侧仿真曲线

综上可知风电场联络线发生不对称接地故障时，正序和负序阻抗远远大于零序阻抗，短路电流中主要是零序分量，就使得故障电流的幅值相位基本相同，有很明显的弱电源特性，严重时将会使电流突变量选相元件无法正确动作，建议采用低电压选相元件。

4 结论

文章研究了直驱风电机组的数学模型和控制策略，在此基础上，搭建了基于直驱风电机组的风电场模型。仿真了其稳态特性，验证了搭建模型的正确性。并仿真了风电场联络线故障时风电场侧和系统侧电流、电压、电流三序分量、电压三序分量，分析了上述研究对象的变化趋势及原因，指出直驱风电场联络线发生任何类型的不对称接地故障，风电场侧都会表现出弱电源特性，单相接地故障表现出的弱电源特性更为明显，而系统侧不存在弱电源特性现象，研究指出直驱风电场弱电源特性会对故障选相元件产生加大影响，严重时会造成选相失败。

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