風能作為一種高效的清潔能源已在全世界范圍內得到了快速發(fā)展和應用，目前我國運行著世界上并網風電容量最高、規(guī)模最大的特大型互聯電網，其中基于雙饋感應發(fā)電機（doubly fed induction generator, DFIG）的風電機組使用最為廣泛。

隨著風電滲透率的不斷提高，其功率弱支撐性及功率不穩(wěn)定性所造成的電力系統(tǒng)小干擾問題時有發(fā)生，由于風電機組內部包含較多的控制環(huán)節(jié)，導致其呈現出與常規(guī)同步發(fā)電機不同的動態(tài)特性，使得大規(guī)模風電并網后，電力系統(tǒng)電力電子化程度提高，非線性特征更加明顯，此時風機控制環(huán)節(jié)對小干擾穩(wěn)定的影響就顯得尤為重要。

雙饋風機并網選用適合小干擾穩(wěn)定分析的動態(tài)模型問題一直是當前的研究熱點，已有大量學者對其進行了研究。

• 有學者系統(tǒng)地總結了雙饋風機較其他類型風機接入電網對小干擾穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的異同點。
• 有學者建立并對比了雙饋風機考慮定子暫態(tài)時采用單質量模塊與雙質量模塊模型后模式上的差異，建立了大規(guī)模風電并網的機電暫態(tài)模型。
• 有學者在忽略鎖相環(huán)動態(tài)和定子磁鏈動態(tài)的情況下，描述了雙饋風機的轉子側/網側及其控制環(huán)節(jié)機電尺度的動態(tài)特性，建立了較完善的機電尺度模型。
• 有學者則是計及鎖相環(huán)的動態(tài)影響，從相互作用角度剖析了雙饋風機與同步機之間的交互作用機理。
• 有學者指出由于風力發(fā)電機的電磁動態(tài)過程很快，因此在分析電力系統(tǒng)機電瞬態(tài)過程時，電氣裝備中發(fā)電機、變流器、電網側控制器和轉子側控制器的動力學均可以忽略不計。從現有基于空氣動力學雙饋風機建模方法來看，基本將其分為機械軸系傳動、槳矩角控制、雙饋感應發(fā)電機、轉子側/網側變頻器及其控制和鎖相環(huán)，根據電網對雙饋風機的不同需求及不同控制手段來采用相應的簡化處理。

針對風電并網的小干擾問題，目前較多學者認為風機并網后會在一定程度上改善系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性，但風機本身不會參與系統(tǒng)已有的機電振蕩或者增加新的振蕩模式，有學者通過特征值分析，認為雙饋風機可作為靜態(tài)功率電源對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定影響較小。有學者分析了計及雙饋風機鎖相環(huán)的動態(tài)特性接入電網時與同步機的耦合關系，進一步探討了對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響。

上述研究取得了諸多研究成果，但多數在研究機電小干擾穩(wěn)定時均忽略了雙饋風機轉子側控制環(huán)節(jié)對系統(tǒng)穩(wěn)定所產生的影響，同時在對風機控制環(huán)節(jié)施加類似于同步機電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（power system stabilizer, PSS）的附加阻尼控制策略時，一直未有人對位置選擇依據做出詳細解釋。

隨著風力發(fā)電的快速發(fā)展，大規(guī)模高滲透率風機并網導致系統(tǒng)電力電子化的趨勢愈發(fā)明顯，因此研究風機通過電力電子裝備及其控制環(huán)節(jié)接入電網對小干擾穩(wěn)定所帶來的影響顯得尤為重要。

本文首先建立適合雙饋感應風機大規(guī)模并網的機電尺度模型，計及其軸系傳動和轉子側變頻器及其控制環(huán)節(jié)，以四機兩區(qū)系統(tǒng)為例，采用特征值分析法和時域仿真分析法相結合，分析風機轉子側控制環(huán)節(jié)對小干擾穩(wěn)定的影響，針對其是否參與系統(tǒng)機電振蕩的問題做了討論，再通過時域仿真辨識后的響應頻率加以驗證，進一步對風機各控制環(huán)節(jié)進行比較，通過改變不同控制環(huán)節(jié)參數后特征根的變化軌跡來判斷機電尺度下的主導控制環(huán)，并在不同環(huán)節(jié)上附加PSS，通過時域仿真進行結果比對得出在主導控制環(huán)節(jié)上附加阻尼控制的合理性，為在風機控制環(huán)節(jié)上附加阻尼控制的位置選擇提供合理依據。

圖1 雙饋風電機組轉子側控制結構

圖2 雙饋風電機組及其接入系統(tǒng)

圖3 風機時間尺度劃分

圖4 算例系統(tǒng)

總結

本文針對高比例風機并網的互聯系統(tǒng)，從風機內部控制環(huán)節(jié)的角度分析了其對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響，并對控制環(huán)附加PSS來提高系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性，通過時域仿真驗證，得出主要結論如下：

• 1）針對四機兩區(qū)系統(tǒng)高比例風機接入電網，雙饋感應風機轉子側3個主要控制環(huán)節(jié)均會參與系統(tǒng)的機電振蕩，即證明了風機是參與系統(tǒng)振蕩的。
• 2）從特征值分析法和時域仿真法證明了雙饋感應風機3個主要控制環(huán)節(jié)中轉速環(huán)和電流環(huán)對風機參與系統(tǒng)機電振蕩模式的小干擾穩(wěn)定影響較小，而PQ環(huán)對風機參與系統(tǒng)機電振蕩模式的小干擾穩(wěn)定有著明顯的影響，是機電時間尺度下的主導控制環(huán)節(jié)。
• 3）對比了在PQ環(huán)和電流環(huán)附加同參數DFIG- PSS后的小干擾穩(wěn)定性及時域仿真曲線的變化，結果證明機電振蕩時PQ更適合附加DFIG-PSS來提高系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性，為DFIG-PSS阻尼控制附加位置的選取提供一定依據。

本文研究由于未考慮雙饋感應風電機網側控制環(huán)節(jié)和風速不確定性對并網后系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響，在后續(xù)工作中，需要進一步討論網側控制環(huán)節(jié)對小干擾穩(wěn)定的影響及其相應的改善小干擾穩(wěn)定性的方式。