直驅風電機組的風電場建模及聯絡線故障研究

閻 智，林雪峰

(中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830047)

隨著環境問題的日益凸顯，在國家政策鼓勵支持風電發展的背景下，風電發展迅猛，風電并網容量占系統容量的比例也越來越大，風電接入對電力系統繼電保護的影響也越來越不容忽略。直驅風力發電機由其優越性成為主流機型廣泛應用于風電場。而直驅風電機組受風速變化的影響，導致其故障特性與常規同步發電機的故障特性存在明顯差異。

文章研究了直驅風電機組的數學模型和控制策略，在此基礎上，搭建基于直驅風電機組的風電場模型。仿真其穩態特性，驗證搭建模型的正確性。并仿真風電場聯絡線故障時風電場側和系統側電流、電壓、電流三序分量、電壓三序分量，分析上述研究對象的變化趨勢及原因，指出直驅風電場聯絡線發生任何類型的不對稱接地故障，風電場側都會表現出弱電源特性，單相接地故障表現出的弱電源特性更為突出，而系統側不存在弱電源特性現象，研究指出直驅風電場弱電源特性會對故障選相元件產生加大影響，嚴重時會造成選相失敗。

1 直驅風電機組數學模型及控制策略

1.1 風電機組結構

直驅永磁同步風電機組主要包括以下幾部分：永磁發電機、槳距控制風力機、發電機側變流器、直流環節和電網側變流器，見圖1。

圖1 直驅風力發電機系統結構

1.2 直驅風電機的數學模型

在分析永磁同步發電機的穩態和暫態特性時經常將其轉換在d、q坐標軸下的模型。發電機基波磁場方向為d軸方向，q軸旋轉方向超前d軸90°。

在dq坐標系下定子磁場的磁鏈方程為：

聯立以上兩式得：

式中：d、q分別代表在d軸或q軸的分量。Ud為機端電壓的d軸分量；Uq為機端電壓的q軸分量；Ld為定子電感d軸分量；Lq為定子電感q軸分量；id為機端電流的d軸分量；iq為機機端電流的軸分量；ωr為發電機電磁轉速；ψf磁通；Rs定子電阻。

1.3 直驅風電機并網控制模型

1.3.1 機側變流器控制策略

機側變流器通過控制有多種方式，本文采用的是發電機的定子電流id=0的轉子磁鏈矢量控制，從而控制了電磁轉矩Te，最后實現對發電機轉速的控制。控制策略框圖及仿真模型見圖2。

圖2 直驅機組機側控制圖

機側變流器通過雙環(轉速的外環和電流內環)控制。對轉矩、轉速的控制是通過d、q軸電流對參考電流idref、iqref的跟蹤實現的。最佳轉速的求取是通過對實際發電機轉子角與iqref的差追蹤而實現的，可以完成變流器器對PMSG的實時最大功率跟蹤。通過D軸的參考電流值設置為iqref＝0，從而實現單位功率因數，使得發電機無功為零。

1.3.2 網側逆變器控制策略

本文的網側逆變器是基于電網電壓定向矢量的控制策略，控制框圖及仿真模型入見圖3。

圖3 PMSG網側控制圖

網側逆變器的有功和無功功率輸出為：

由于電網電壓在q軸上的值等于0，因此usq＝0，因此上式化簡可得：

側逆變器是基于電網電壓定向矢量的控制策略

也是通過兩環(電壓外環和電流內環)控制實現的。根據上式，若使isq＝0，那么無功輸出就為0，就可以實現直驅機組的單位功率因數并網。在這里設定iqref＝0，就可以實現了單位功率因數并網、有功無功的解耦控制。

2 基于直驅風電機組的風電場建模

根據上節有關直驅風電機組數學模型，在PSCAD/EMTDC仿真平臺中搭建直驅風電機組電場仿真模型，搭建的風電場由5臺直驅風電機組構成，單臺直驅風電機組容量為1.5 MW，每臺機組經一個箱變升壓至35 kV，5臺風機由一條長3 km集電線路送至升壓變，風電場通過升壓變升壓至110kV，再經50 km聯絡線并入電網。系統容量為100 MVA，系統正序阻抗為1.31pu，其他相關參數在以下表1中列出。圖4為直驅風電場并網仿真模型。

圖4 風電機場并網仿真模型

表1 直驅風電機組參數

3 風電場穩態及暫態特性仿真

3.1 直驅風電場穩態特性仿真

風電場穩定運行，仿真風速為12 m/s，風電場聯絡線的風電場側保護測得數據結果見圖5。

圖5 直驅風電場并網仿真曲線

從仿真結果可以看出，直驅風電場在正常運行時，有功無功輸出穩定，無功輸出為0，風電場輸出的電壓和電流圖形為標準正弦曲線，電壓輸出為額定電壓，說明了所搭建的風機場模型的正確性。

3.2 直驅風電場暫態特性仿真

設置在0.4 s時刻，在風電場聯絡線上距離風電場側保護安裝40 km(80%)處發生單相、兩相和三相永久性接地故障，風電場高壓側母線測得數據結果見圖6。

圖6 直驅風電場聯絡線單相接地風電場側仿真曲線

仿真結果可以看出當雙饋風電場聯絡線發生單相接地故障時，風電場側故障相電流與非故障相電流幅值相位基本相同，可提供持續恒定的短路電流，故障電流主要是由零序分量組成；故障相電壓跌落至一定值，非故障相電壓基本無變化，故障相電壓主要由正序分量構成。

圖7 直驅風電場聯絡線單相接地系統側仿真曲線

仿真結果可以看出當聯絡線發生單相接地故障時，系統側故障相電流與非故障相電流幅值相位有明顯區別，可提供持續恒定的短路電流，故障相電流遠大于非故障相電流，主要是由正序和負序分量組成，且正序分量的電流和負序分量的電流大小相等；故障相電壓跌落至一定值，非故障相電壓無變化，故障電壓主要是零序分量構成，正序分量和負序電壓分量相等遠小于零序分量電壓。

圖8 直驅風電場聯絡線兩相接地風電場側仿真曲線

仿真結果可以看出當直驅風電場聯絡線發生兩相接地故障時，風電場側故障相電流與非故障相電流大小和幅值基本相同，能提供持續恒定的短路電流，故障電流中依然是零序電流大于正序和負序電流；故障相電壓跌落至一定值，非故障相電壓基本不變，故障電壓主要由正序和負序分量構成，兩者大小相等，零序電壓很小。

圖9 直驅風電場聯絡線兩相接地系統側仿真曲線

仿真結果可以看出當聯絡線發生兩相接地故障時，系統側故障相電流與非故障相電流幅值相位有明顯區別，可提供持續恒定的短路電流，故障相電流遠大于非故障相電流，主要是由正序和負序分量組成，兩者遠大于零序分量；故障相電壓跌落至一定值，非故障相電壓無變化，故障電壓主要是正序分量構成，零序分量電壓較小。

圖10 直驅風電場聯絡線三相接地風電場側仿真曲線

仿真結果可以看出當直驅風電場聯絡線發生三相接地故障時，風電場側故障時電流瞬間增大，并且可以提供一個持續恒定的短路電流，故障后電流主要由正序分量組成，故障后續電壓瞬間跌落至0。

仿真結果可以看出當聯絡線發生三相接地故障時，故障時系統側電流瞬間增大，可提供持續恒定的短路電流，故障相電流主要是由正序分量組成，負序和零序分量為0；電壓跌落至一定值，故障電壓主要是正序分量構成。

圖11 直驅風電場聯絡線三相接地系統側仿真曲線

綜上可知風電場聯絡線發生不對稱接地故障時，正序和負序阻抗遠遠大于零序阻抗，短路電流中主要是零序分量，就使得故障電流的幅值相位基本相同，有很明顯的弱電源特性，嚴重時將會使電流突變量選相元件無法正確動作，建議采用低電壓選相元件。

4 結論

文章研究了直驅風電機組的數學模型和控制策略，在此基礎上，搭建了基于直驅風電機組的風電場模型。仿真了其穩態特性，驗證了搭建模型的正確性。并仿真了風電場聯絡線故障時風電場側和系統側電流、電壓、電流三序分量、電壓三序分量，分析了上述研究對象的變化趨勢及原因，指出直驅風電場聯絡線發生任何類型的不對稱接地故障，風電場側都會表現出弱電源特性，單相接地故障表現出的弱電源特性更為明顯，而系統側不存在弱電源特性現象，研究指出直驅風電場弱電源特性會對故障選相元件產生加大影響，嚴重時會造成選相失敗。

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