直驅(qū)風電機組的風電場建模及聯(lián)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(huán)境問題的日益凸顯，在國家政策鼓勵支持風電發(fā)展的背景下，風電發(fā)展迅猛，風電并網(wǎng)容量占系統(tǒng)容量的比例也越來越大，風電接入對電力系統(tǒng)繼電保護的影響也越來越不容忽略。直驅(qū)風力發(fā)電機由其優(yōu)越性成為主流機型廣泛應用于風電場。而直驅(qū)風電機組受風速變化的影響，導致其故障特性與常規(guī)同步發(fā)電機的故障特性存在明顯差異。

文章研究了直驅(qū)風電機組的數(shù)學模型和控制策略，在此基礎上，搭建基于直驅(qū)風電機組的風電場模型。仿真其穩(wěn)態(tài)特性，驗證搭建模型的正確性。并仿真風電場聯(lián)絡線故障時風電場側(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)風電場聯(lián)絡線發(fā)生任何類型的不對稱接地故障，風電場側(cè)都會表現(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)風電場弱電源特性會對故障選相元件產(chǎn)生加大影響，嚴重時會造成選相失敗。

1 直驅(qū)風電機組數(shù)學模型及控制策略

1.1 風電機組結(jié)構(gòu)

直驅(qū)永磁同步風電機組主要包括以下幾部分：永磁發(fā)電機、槳距控制風力機、發(fā)電機側(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)風力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 直驅(qū)風電機的數(shù)學模型

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

在dq坐標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(fā)電機電磁轉(zhuǎn)速；ψf磁通；Rs定子電阻。

1.3 直驅(qū)風電機并網(wǎng)控制模型

1.3.1 機側(cè)變流器控制策略

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

圖2 直驅(qū)機組機側(cè)控制圖

機側(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的跟蹤實現(xiàn)的。最佳轉(zhuǎn)速的求取是通過對實際發(fā)電機轉(zhuǎn)子角與iqref的差追蹤而實現(xiàn)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(xiàn)單位功率因數(shù)，使得發(fā)電機無功為零。

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，就可以實現(xiàn)直驅(qū)機組的單位功率因數(shù)并網(wǎng)。在這里設定iqref＝0，就可以實現(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)風電機組的風電場建模

根據(jù)上節(jié)有關直驅(qū)風電機組數(shù)學模型，在PSCAD/EMTDC仿真平臺中搭建直驅(qū)風電機組電場仿真模型，搭建的風電場由5臺直驅(qū)風電機組構(gòu)成，單臺直驅(qū)風電機組容量為1.5 MW，每臺機組經(jīng)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(jīng)50 km聯(lián)絡線并入電網(wǎng)。系統(tǒng)容量為100 MVA，系統(tǒng)正序阻抗為1.31pu，其他相關參數(shù)在以下表1中列出。圖4為直驅(qū)風電場并網(wǎng)仿真模型。

圖4 風電機場并網(wǎng)仿真模型

表1 直驅(qū)風電機組參數(shù)

3 風電場穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性仿真

3.1 直驅(qū)風電場穩(wěn)態(tài)特性仿真

風電場穩(wěn)定運行，仿真風速為12 m/s，風電場聯(lián)絡線的風電場側(cè)保護測得數(shù)據(jù)結(jié)果見圖5。

圖5 直驅(qū)風電場并網(wǎng)仿真曲線

從仿真結(jié)果可以看出，直驅(qū)風電場在正常運行時，有功無功輸出穩(wěn)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(qū)風電場暫態(tài)特性仿真

設置在0.4 s時刻，在風電場聯(lián)絡線上距離風電場側(cè)保護安裝40 km(80%)處發(fā)生單相、兩相和三相永久性接地故障，風電場高壓側(cè)母線測得數(shù)據(jù)結(jié)果見圖6。

圖6 直驅(qū)風電場聯(lián)絡線單相接地風電場側(cè)仿真曲線

仿真結(jié)果可以看出當雙饋風電場聯(lián)絡線發(fā)生單相接地故障時，風電場側(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)風電場聯(lián)絡線單相接地系統(tǒng)側(cè)仿真曲線

仿真結(jié)果可以看出當聯(lián)絡線發(fā)生單相接地故障時，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(gòu)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(qū)風電場聯(lián)絡線兩相接地風電場側(cè)仿真曲線

仿真結(jié)果可以看出當直驅(qū)風電場聯(lián)絡線發(fā)生兩相接地故障時，風電場側(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(gòu)成，兩者大小相等，零序電壓很小。

圖9 直驅(qū)風電場聯(lián)絡線兩相接地系統(tǒng)側(cè)仿真曲線

仿真結(jié)果可以看出當聯(lián)絡線發(fā)生兩相接地故障時，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(gòu)成，零序分量電壓較小。

圖10 直驅(qū)風電場聯(lián)絡線三相接地風電場側(cè)仿真曲線

仿真結(jié)果可以看出當直驅(qū)風電場聯(lián)絡線發(fā)生三相接地故障時，風電場側(cè)故障時電流瞬間增大，并且可以提供一個持續(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)果可以看出當聯(lián)絡線發(fā)生三相接地故障時，故障時系統(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)風電場聯(lián)絡線三相接地系統(tǒng)側(cè)仿真曲線

綜上可知風電場聯(lián)絡線發(fā)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(jié)論

文章研究了直驅(qū)風電機組的數(shù)學模型和控制策略，在此基礎上，搭建了基于直驅(qū)風電機組的風電場模型。仿真了其穩(wěn)態(tài)特性，驗證了搭建模型的正確性。并仿真了風電場聯(lián)絡線故障時風電場側(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)風電場聯(lián)絡線發(fā)生任何類型的不對稱接地故障，風電場側(cè)都會表現(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)風電場弱電源特性會對故障選相元件產(chǎn)生加大影響，嚴重時會造成選相失敗。

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