串联连接的海上风电场中的接地故障：直流链路电流控制

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Grounding Faults in Series-Connected-Based Offshore Wind Farms: DC Link Current Control

针对串联连接式近海风电场（SC-OWF）的接地故障问题，建立了直流链路的数学模型，提出反馈与前馈结合的电流控制策略，并推导了故障电流计算方法。通过仿真和实验验证，证实该策略可有效限制故障电流，实现故障部分隔离和非故障部分正常运行，验证了方案的可行性和有效性。

　　在海上风电场中，串联式海上风电场（SC-OWF）是一种新型的结构形式，其特点在于能够减少传统海上风电场中所需的大型海上平台、升压变压器和高压大容量换流器等设备。这一设计不仅降低了整体成本，还减少了功率损耗，从而提高了系统的整体效率和可靠性。然而，这种结构在运行过程中仍面临接地故障这一不可避免的问题。接地故障不仅会影响系统的正常运行，还可能造成严重的电流冲击，甚至损坏换流器等关键设备。因此，研究如何有效控制和保护SC-OWF中的直流环路电流，确保故障发生时能够隔离故障部分，使非故障部分继续正常运行，成为该领域的重要课题。

本文针对SC-OWF中的接地故障问题，提出了一种结合反馈与前馈控制的直流环路电流控制策略，并基于此建立了直流环路电流的数学模型。通过这一模型，可以分析接地故障时直流环路电流的变化特性，并进一步提出一种基于直流环路电流的故障电流计算方法。结合这些方法，可以设计出适当的限流电感，从而将故障电流控制在安全范围内。该方法的核心在于利用反馈控制和前馈控制的协同作用，实现对直流环路电流的精确调节，特别是在接地故障发生时，能够迅速响应，避免电流失控。

首先，反馈控制主要用于正常运行状态下，确保直流环路电流维持在参考值附近。而在接地故障发生时，由于直流电压的快速下降，反馈控制的响应速度不足以有效控制电流的变化。因此，前馈控制被引入，以在故障发生时对直流环路电流进行补偿，从而避免因电压变化引起的电流失控。前馈控制能够基于对直流电压变化的预测，提前调整电流的控制策略，从而提高系统的动态响应能力。

其次，基于上述控制策略，提出了一种故障电流计算方法。该方法能够对直流环路中的各部分电流进行分解，分别计算稳态电流、电压下降引起的故障电流以及电容放电引起的故障电流。通过这些电流的计算，可以更准确地评估故障对系统的影响，并设计出适当的限流电感，以限制故障电流的峰值，防止其超过保护阈值。在故障发生后，通过隔离开关将故障部分从系统中隔离，使非故障部分继续运行，从而保证系统的整体安全性和稳定性。

此外，本文还通过仿真和实验验证了所提出的直流环路电流控制策略和故障电流计算方法的可行性。仿真结果表明，在不同延迟时间下，所设计的控制策略能够有效限制故障电流，使其在安全范围内变化。实验结果也进一步验证了该方法的实际应用效果，证明了其在实际系统中的有效性。

接地故障的发生通常会导致系统中某些部分的电压骤降，从而引发电流的快速上升。这种现象在SC-OWF中尤为明显，因为其结构不同于传统的并联式海上风电场。在SC-OWF中，直流环路电流的控制不仅需要考虑正常运行时的稳定性，还需要应对突发的电压变化和电流冲击。因此，结合反馈和前馈控制的方法成为解决这一问题的关键。

在仿真实验中，当接地故障发生时，直流环路电流的变化表现出明显的瞬态特征。例如，当故障发生在第三个风电场时，直流环路电流迅速下降，同时其他风电场的直流电压也出现下降。通过引入前馈控制，可以有效抑制电流的瞬态变化，使其保持在安全范围内。实验结果进一步验证了这一方法的有效性，表明在实际系统中，通过合理的控制策略，可以实现故障部分的隔离，同时确保非故障部分继续正常运行。

本文提出的控制策略和故障电流计算方法，为SC-OWF的设计、运行和保护提供了理论依据和实践指导。通过结合反馈和前馈控制，可以实现对直流环路电流的精准控制，确保在正常运行时维持稳定，而在故障发生时迅速调整，避免电流失控。此外，通过设计适当的限流电感，可以有效限制故障电流的峰值，从而提高系统的安全性和可靠性。

仿真和实验结果表明，所提出的控制方法在不同工况下均表现出良好的性能。例如，在不同直流环路电流参考值下，系统能够有效应对接地故障，确保故障电流不超出设定的保护阈值。此外，仿真结果还显示，随着通信延迟时间的增加，故障电流的峰值也会有所上升。因此，减少通信延迟时间对于控制故障电流具有重要意义。

综上所述，SC-OWF中的接地故障是不可避免的问题，而通过建立直流环路的数学模型，并结合反馈与前馈控制策略，可以实现对直流环路电流的有效控制。同时，通过故障电流的计算和限流电感的设计，可以将故障电流限制在安全范围内。仿真和实验结果进一步验证了该方法的可行性，表明其在实际系统中的应用具有重要意义。