学术简报︱双馈感应风机控制环节对电力系统机电小干扰稳定的影响分析
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东北电力大学电气工程学院、国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院的研究人员王也、徐茂达、郝文波、刘铖、陈枭杰，在2019年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，大规模风电并网使电力系统电力电子化现象愈发明显，双馈感应风机并网后其控制环节对电力系统小干扰稳定影响的分析和控制研究变得日益重要。
本文首先建立了计及双馈风电机组转子侧变频器动态特性的小干扰稳定模型，通过特征值分析法和时域仿真法相结合，研究了风机参与系统振荡及其转子侧内部各个控制环节对小干扰稳定的影响，判断出对系统稳定影响较为主要的是控制环节，在此基础上对不同控制环节附加电力系统稳定器（PSS）来对比验证，为阻尼控制的附加位置提供合理依据。
基于对四机两区系统进行仿真算例分析结果表明，机电时间尺度下的控制环节对小干扰稳定影响较非机电尺度控制环节更加明显，在该种控制环节附加电力系统稳定器更有助于提高系统小干扰稳定性。
风能作为一种高效的清洁能源已在全世界范围内得到了快速发展和应用，目前我国运行着世界上并网风电容量最高、规模最大的特大型互联电网，其中基于双馈感应发电机（doubly fed induction generator, DFIG）的风电机组使用最为广泛。
随着风电渗透率的不断提高，其功率弱支撑性及功率不稳定性所造成的电力系统小干扰问题时有发生，由于风电机组内部包含较多的控制环节，导致其呈现出与常规同步发电机不同的动态特性，使得大规模风电并网后，电力系统电力电子化程度提高，非线性特征更加明显，此时风机控制环节对小干扰稳定的影响就显得尤为重要。
双馈风机并网选用适合小干扰稳定分析的动态模型问题一直是当前的研究热点，已有大量学者对其进行了研究。
有学者系统地总结了双馈风机较其他类型风机接入电网对小干扰稳定和暂态稳定的异同点。
有学者建立并对比了双馈风机考虑定子暂态时采用单质量模块与双质量模块模型后模式上的差异，建立了大规模风电并网的机电暂态模型。
有学者在忽略锁相环动态和定子磁链动态的情况下，描述了双馈风机的转子侧/网侧及其控制环节机电尺度的动态特性，建立了较完善的机电尺度模型。
有学者则是计及锁相环的动态影响，从相互作用角度剖析了双馈风机与同步机之间的交互作用机理。
有学者指出由于风力发电机的电磁动态过程很快，因此在分析电力系统机电瞬态过程时，电气装备中发电机、变流器、电网侧控制器和转子侧控制器的动力学均可以忽略不计。从现有基于空气动力学双馈风机建模方法来看，基本将其分为机械轴系传动、桨矩角控制、双馈感应发电机、转子侧/网侧变频器及其控制和锁相环，根据电网对双馈风机的不同需求及不同控制手段来采用相应的简化处理。
针对风电并网的小干扰问题，目前较多学者认为风机并网后会在一定程度上改善系统的小干扰稳定性，但风机本身不会参与系统已有的机电振荡或者增加新的振荡模式，有学者通过特征值分析，认为双馈风机可作为静态功率电源对系统小干扰稳定影响较小。有学者分析了计及双馈风机锁相环的动态特性接入电网时与同步机的耦合关系，进一步探讨了对系统小干扰稳定的影响。
上述研究取得了诸多研究成果，但多数在研究机电小干扰稳定时均忽略了双馈风机转子侧控制环节对系统稳定所产生的影响，同时在对风机控制环节施加类似于同步机电力系统稳定器（power system stabilizer, PSS）的附加阻尼控制策略时，一直未有人对位置选择依据做出详细解释。
随着风力发电的快速发展，大规模高渗透率风机并网导致系统电力电子化的趋势愈发明显，因此研究风机通过电力电子装备及其控制环节接入电网对小干扰稳定所带来的影响显得尤为重要。
本文首先建立适合双馈感应风机大规模并网的机电尺度模型，计及其轴系传动和转子侧变频器及其控制环节，以四机两区系统为例，采用特征值分析法和时域仿真分析法相结合，分析风机转子侧控制环节对小干扰稳定的影响，针对其是否参与系统机电振荡的问题做了讨论，再通过时域仿真辨识后的响应频率加以验证，进一步对风机各控制环节进行比较，通过改变不同控制环节参数后特征根的变化轨迹来判断机电尺度下的主导控制环，并在不同环节上附加PSS，通过时域仿真进行结果比对得出在主导控制环节上附加阻尼控制的合理性，为在风机控制环节上附加阻尼控制的位置选择提供合理依据。
图1 双馈风电机组转子侧控制结构
图2 双馈风电机组及其接入系统
图3 风机时间尺度划分
图4 算例系统
本文针对高比例风机并网的互联系统，从风机内部控制环节的角度分析了其对系统小干扰稳定的影响，并对控制环附加PSS来提高系统小干扰稳定性，通过时域仿真验证，得出主要结论如下：
1）针对四机两区系统高比例风机接入电网，双馈感应风机转子侧3个主要控制环节均会参与系统的机电振荡，即证明了风机是参与系统振荡的。
2）从特征值分析法和时域仿真法证明了双馈感应风机3个主要控制环节中转速环和电流环对风机参与系统机电振荡模式的小干扰稳定影响较小，而PQ环对风机参与系统机电振荡模式的小干扰稳定有着明显的影响，是机电时间尺度下的主导控制环节。
3）对比了在PQ环和电流环附加同参数DFIG- PSS后的小干扰稳定性及时域仿真曲线的变化，结果证明机电振荡时PQ更适合附加DFIG-PSS来提高系统的小干扰稳定性，为DFIG-PSS阻尼控制附加位置的选取提供一定依据。
本文研究由于未考虑双馈感应风电机网侧控制环节和风速不确定性对并网后系统小干扰稳定性的影响，在后续工作中，需要进一步讨论网侧控制环节对小干扰稳定的影响及其相应的改善小干扰稳定性的方式。