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）

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）

摘要：直驱风电机组由于其优越性成为主流机型广泛应用于风电场。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。研究成果具有一定的实际价值和意义。

关键词：直驱风电机组；控制策略；建模；故障特性。

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110 kV，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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中图分类号：TM615

文献标志码：B

文章编号：1671-9913（2015）02-0073-05

* 收稿日期：2014-12-30

作者简介：阎智（1972- ），男，新疆人，高级工程师，现任中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司执行董事、总经理。

Modeling and Liaison Line Fault of Wind Power Plant with Direct Drive Wind Power Units

YAN Zhi，LIN Xue-feng
（China Enery Engineering Group Xinjiang Electric Power Design Institute Co.，Ltd， Urumqi 830047， China）

Abstract：the direct driven wind turbine due to its superiority has become the mainstream models are widely used in wind farms. This paper studies the mathematical model and the control strategy of direct driven wind turbine， on this basis， to build a wind farm model based on direct drive wind turbines. The steady state characteristics of the simulation， to verify the correctness of the model was set up. And the simulation of wind farms wind farm fault of line side and the system side current， voltage， current， voltage of three sequence fault component， three sequence components， analysis of the trend of the study， pointed out that the asymmetric direct drive wind farm tie line of any type of grounding fault， the wind farm side will show a weak source feature the single-phase grounding fault， showed a weak source feature is more prominent， and the system characteristics of the power supply side has weak phenomenon， research indicates that direct drive wind field characteristics of weak power will have increased impact on the fault phase selection components， serious when can cause the phase failure. Research findings has a certain practical value and significance of the research.

Key words：direct driven wind turbine； control strategy； modeling；the fault characteristic