直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場建模及聯(lián)絡(luò)線故障研究

閻 智，林雪峰

（中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830047）

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場建模及聯(lián)絡(luò)線故障研究

閻 智，林雪峰

（中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830047）

摘要：直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組由于其優(yōu)越性成為主流機(jī)型廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場。文章研究了直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型和控制策略，在此基礎(chǔ)上，搭建了基于直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場模型。仿真了其穩(wěn)態(tài)特性，驗(yàn)證了搭建模型的正確性。并仿真了風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線故障時(shí)風(fēng)電場側(cè)和系統(tǒng)側(cè)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(qū)風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線發(fā)生任何類型的不對稱接地故障，風(fēng)電場側(cè)都會(huì)表現(xiàn)出弱電源特性，單相接地故障表現(xiàn)出的弱電源特性更為突出，而系統(tǒng)側(cè)不存在弱電源特性現(xiàn)象，研究指出直驅(qū)風(fēng)電場弱電源特性會(huì)對故障選相元件產(chǎn)生加大影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成選相失敗。研究成果具有一定的實(shí)際價(jià)值和意義。

關(guān)鍵詞：直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組；控制策略；建模；故障特性。

隨著環(huán)境問題的日益凸顯，在國家政策鼓勵(lì)支持風(fēng)電發(fā)展的背景下，風(fēng)電發(fā)展迅猛，風(fēng)電并網(wǎng)容量占系統(tǒng)容量的比例也越來越大，風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響也越來越不容忽略。直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由其優(yōu)越性成為主流機(jī)型廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場。而直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組受風(fēng)速變化的影響，導(dǎo)致其故障特性與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)的故障特性存在明顯差異。

文章研究了直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型和控制策略，在此基礎(chǔ)上，搭建基于直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場模型。仿真其穩(wěn)態(tài)特性，驗(yàn)證搭建模型的正確性。并仿真風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線故障時(shí)風(fēng)電場側(cè)和系統(tǒng)側(cè)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(qū)風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線發(fā)生任何類型的不對稱接地故障，風(fēng)電場側(cè)都會(huì)表現(xiàn)出弱電源特性，單相接地故障表現(xiàn)出的弱電源特性更為突出，而系統(tǒng)側(cè)不存在弱電源特性現(xiàn)象，研究指出直驅(qū)風(fēng)電場弱電源特性會(huì)對故障選相元件產(chǎn)生加大影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成選相失敗。

1　直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型及控制策略

1.1風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組主要包括以下幾部分：永磁發(fā)電機(jī)、槳距控制風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)側(cè)變流器、直流環(huán)節(jié)和電網(wǎng)側(cè)變流器，見圖1。

圖 1 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2直驅(qū)風(fēng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

在分析永磁同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性時(shí)經(jīng)常將其轉(zhuǎn)換在d、q坐標(biāo)軸下的模型。發(fā)電機(jī)基波磁場方向?yàn)閐軸方向，q軸旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°。

在dq坐標(biāo)系下定子磁場的磁鏈方程為：

聯(lián)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(jī)端電壓的d軸分量；Uq為機(jī)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(jī)端電流的d軸分量；iq為機(jī)機(jī)端電流的軸分量；ωr為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)速；ψf磁通；Rs定子電阻。

1.3直驅(qū)風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)控制模型

1.3.1機(jī)側(cè)變流器控制策略

機(jī)側(cè)變流器通過控制有多種方式，本文采用的是發(fā)電機(jī)的定子電流id=0的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶靠刂疲瑥亩刂屏穗姶呸D(zhuǎn)矩Te，最后實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。控制策略框圖及仿真模型見圖2。

圖2　直驅(qū)機(jī)組機(jī)側(cè)控制圖

機(jī)側(cè)變流器通過雙環(huán)（轉(zhuǎn)速的外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)）控制。對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的控制是通過d、q軸電流對參考電流idref、iqref的跟蹤實(shí)現(xiàn)的。最佳轉(zhuǎn)速的求取是通過對實(shí)際發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角與iqref的差追蹤而實(shí)現(xiàn)的，可以完成變流器器對PMSG的實(shí)時(shí)最大功率跟蹤。通過D軸的參考電流值設(shè)置為iqref=0，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，使得發(fā)電機(jī)無功為零。

1.3.2網(wǎng)側(cè)逆變器控制策略

本文的網(wǎng)側(cè)逆變器是基于電網(wǎng)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(wǎng)側(cè)控制圖

網(wǎng)側(cè)逆變器的有功和無功功率輸出為：

由于電網(wǎng)電壓在q軸上的值等于0，因此usq=0，因此上式化簡可得：

側(cè)逆變器是基于電網(wǎng)電壓定向矢量的控制策略

也是通過兩環(huán)（電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)）控制實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)上式，若使isq=0，那么無功輸出就為0，就可以實(shí)現(xiàn)直驅(qū)機(jī)組的單位功率因數(shù)并網(wǎng)。在這里設(shè)定iqref=0，就可以實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)、有功無功的解耦控制。

2　基于直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場建模

根據(jù)上節(jié)有關(guān)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型，在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)中搭建直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組電場仿真模型，搭建的風(fēng)電場由5臺(tái)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，單臺(tái)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組容量為1.5 MW，每臺(tái)機(jī)組經(jīng)一個(gè)箱變升壓至35 kV， 5臺(tái)風(fēng)機(jī)由一條長3 km集電線路送至升壓變，風(fēng)電場通過升壓變升壓至110 kV，再經(jīng)50 km聯(lián)絡(luò)線并入電網(wǎng)。系統(tǒng)容量為100 MVA，系統(tǒng)正序阻抗為1.31pu，其他相關(guān)參數(shù)在以下表1中列出。圖4為直驅(qū)風(fēng)電場并網(wǎng)仿真模型。

圖4　風(fēng)電機(jī)場并網(wǎng)仿真模型

表1　直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組參數(shù)

3　風(fēng)電場穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性仿真

3.1直驅(qū)風(fēng)電場穩(wěn)態(tài)特性仿真

風(fēng)電場穩(wěn)定運(yùn)行，仿真風(fēng)速為12 m/s，風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線的風(fēng)電場側(cè)保護(hù)測得數(shù)據(jù)結(jié)果見圖5。

圖5　直驅(qū)風(fēng)電場并網(wǎng)仿真曲線

從仿真結(jié)果可以看出，直驅(qū)風(fēng)電場在正常運(yùn)行時(shí)，有功無功輸出穩(wěn)定，無功輸出為0，風(fēng)電場輸出的電壓和電流圖形為標(biāo)準(zhǔn)正弦曲線，電壓輸出為額定電壓，說明了所搭建的風(fēng)機(jī)場模型的正確性。

3.2直驅(qū)風(fēng)電場暫態(tài)特性仿真

設(shè)置在0.4 s時(shí)刻，在風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線上距離風(fēng)電場側(cè)保護(hù)安裝40 km（80%）處發(fā)生單相、兩相和三相永久性接地故障，風(fēng)電場高壓側(cè)母線測得數(shù)據(jù)結(jié)果見圖6。

圖6　直驅(qū)風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線單相接地風(fēng)電場側(cè)仿真曲線

仿真結(jié)果可以看出當(dāng)雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線發(fā)生單相接地故障時(shí)，風(fēng)電場側(cè)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(xù)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(gòu)成。

圖7　直驅(qū)風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線單相接地系統(tǒng)側(cè)仿真曲線

仿真結(jié)果可以看出當(dāng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)側(cè)故障相電流與非故障相電流幅值相位有明顯區(qū)別，可提供持續(xù)恒定的短路電流，故障相電流遠(yuǎn)大于非故障相電流，主要是由正序和負(fù)序分量組成，且正序分量的電流和負(fù)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(gòu)成，正序分量和負(fù)序電壓分量相等遠(yuǎn)小于零序分量電壓。

圖8　直驅(qū)風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線兩相接地風(fēng)電場側(cè)仿真曲線

仿真結(jié)果可以看出當(dāng)直驅(qū)風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線發(fā)生兩相接地故障時(shí)，風(fēng)電場側(cè)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(xù)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(fù)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(fù)序分量構(gòu)成，兩者大小相等，零序電壓很小。

圖9　直驅(qū)風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線兩相接地系統(tǒng)側(cè)仿真曲線

仿真結(jié)果可以看出當(dāng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生兩相接地故障時(shí)，系統(tǒng)側(cè)故障相電流與非故障相電流幅值相位有明顯區(qū)別，可提供持續(xù)恒定的短路電流，故障相電流遠(yuǎn)大于非故障相電流，主要是由正序和負(fù)序分量組成，兩者遠(yuǎn)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(gòu)成，零序分量電壓較小。

圖10　直驅(qū)風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線三相接地風(fēng)電場側(cè)仿真曲線

仿真結(jié)果可以看出當(dāng)直驅(qū)風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線發(fā)生三相接地故障時(shí)，風(fēng)電場側(cè)故障時(shí)電流瞬間增大，并且可以提供一個(gè)持續(xù)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(xù)電壓瞬間跌落至0。

仿真結(jié)果可以看出當(dāng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生三相接地故障時(shí)，故障時(shí)系統(tǒng)側(cè)電流瞬間增大，可提供持續(xù)恒定的短路電流，故障相電流主要是由正序分量組成，負(fù)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(gòu)成。

圖11　直驅(qū)風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線三相接地系統(tǒng)側(cè)仿真曲線

綜上可知風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線發(fā)生不對稱接地故障時(shí)，正序和負(fù)序阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yán)重時(shí)將會(huì)使電流突變量選相元件無法正確動(dòng)作，建議采用低電壓選相元件。

4　結(jié)論

文章研究了直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型和控制策略，在此基礎(chǔ)上，搭建了基于直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場模型。仿真了其穩(wěn)態(tài)特性，驗(yàn)證了搭建模型的正確性。并仿真了風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線故障時(shí)風(fēng)電場側(cè)和系統(tǒng)側(cè)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(qū)風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線發(fā)生任何類型的不對稱接地故障，風(fēng)電場側(cè)都會(huì)表現(xiàn)出弱電源特性，單相接地故障表現(xiàn)出的弱電源特性更為明顯，而系統(tǒng)側(cè)不存在弱電源特性現(xiàn)象，研究指出直驅(qū)風(fēng)電場弱電源特性會(huì)對故障選相元件產(chǎn)生加大影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成選相失敗。

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中圖分類號(hào)：TM615

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-9913（2015）02-0073-05

* 收稿日期：2014-12-30

作者簡介：閻智（1972- ），男，新疆人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司執(zhí)行董事、總經(jīng)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