【摘 要】
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由于海上风电场靠近负荷中心且不占用土地、适合大规模开发,近年来海上风电场在世界各地都有了长足发展。基于电压源换流器的柔性直流输电（Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current,VSC-HVDC）技术具有传输容量大、输电距离长、谐波含量小等优点,可以实现对有功功率及无功功率的独立控制,已逐步成为大规模海上风电场并网技术的重点发展
【基金项目】
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国家自然基金项目“基于VSC-HVDC并网的大规模海上风电场分布式控制与保护”（51877127）；
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由于海上风电场靠近负荷中心且不占用土地、适合大规模开发,近年来海上风电场在世界各地都有了长足发展。基于电压源换流器的柔性直流输电（Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current,VSC-HVDC）技术具有传输容量大、输电距离长、谐波含量小等优点,可以实现对有功功率及无功功率的独立控制,已逐步成为大规模海上风电场并网技术的重点发展方向。在基于VSC-HVDC并网的大规模海上风电系统中,交流集电线路两端均为电力电子元件,因此在集电线路故障时,其故障特性相较于传统同步机并网系统有着显著不同,传统交流系统所适用的保护动作特性将受到影响。针对此问题,本文围绕柔直并网海上风电场交流集电线路的故障特征进行分析,并对传统纵联保护在集电线路中的适应性进行研究。在适应性分析的基础上,本文提出一种适用于柔直并网海上风电场集电线路的保护原理。论文主要研究内容及贡献如下:（1）深入分析了永磁直驱风机及柔直系统风场侧换流器的控制策略,构建了具备抑制有功功率波动及低电压穿越控制策略的永磁直驱风电场模型和具有V/F控制功能的柔直系统风场侧换流器模型。在EMTP仿真平台中搭建满足并网标准和工程应用的大规模海上风电场模型,并通过仿真得出故障前后风机及柔直换流器电压、电流、功率等电气量的变化趋势。（2）在分析集电线路两端换流器控制策略的基础上,推导了在集电线路发生故障时风电场侧及柔直系统侧的短路电流表达式,得出两端电流幅值及相角的变化规律。基于此,深入探究集电线路故障特性变化对方向比较式纵联保护及电流差动纵联保护动作性能的影响,并利用所搭建的柔直并网海上风电系统模型进行仿真验证。理论分析和仿真验证结果均表明,当集电线路发生接地故障时,两种纵联保护均具有较好的适应性;当集电线路发生相间故障时,由于两侧故障电流的弱馈特性及相角变化,两种纵联保护均存在拒动风险,因此需要对传统纵联保护原理进行改进或提出新的保护原理。（3）结合纵联保护适应性分析的结果,归纳得出两种传统纵联保护动作性能随过渡电阻的变化情况,对两种保护的适用范围进行进一步分析。以此为基础,提出了一种基于模型识别的纵联保护原理。所提保护原理直接采用故障突变量求解,能够较好地克服直驱海上风电系统非线性、弱馈等因素的影响,通过突变量阻抗大小准确识别区内、区外故障时的不同模型特征。仿真分析表明,所提保护原理不受过渡电阻的影响,且具有较高的灵敏度,能够满足柔直并网海上风电场高压集电线路的故障判别需求。
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