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

隨著風(fēng)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(fēng)電機組內(nèi)部包含較多的控制環(huán)節(jié)，導(dǎo)致其呈現(xiàn)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(fēng)電并網(wǎng)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(fēng)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(fēng)機并網(wǎng)選用適合小干擾穩(wěn)定分析的動態(tài)模型問題一直是當(dāng)前的研究熱點，已有大量學(xué)者對其進行了研究。

• 有學(xué)者系統(tǒng)地總結(jié)了雙饋風(fēng)機較其他類型風(fēng)機接入電網(wǎng)對小干擾穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的異同點。
• 有學(xué)者建立并對比了雙饋風(fēng)機考慮定子暫態(tài)時采用單質(zhì)量模塊與雙質(zhì)量模塊模型后模式上的差異，建立了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的機電暫態(tài)模型。
• 有學(xué)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(fēng)機的轉(zhuǎn)子側(cè)/網(wǎng)側(cè)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(xué)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(fēng)機與同步機之間的交互作用機理。
• 有學(xué)者指出由于風(fēng)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(wǎng)側(cè)控制器和轉(zhuǎn)子側(cè)控制器的動力學(xué)均可以忽略不計。從現(xiàn)有基于空氣動力學(xué)雙饋風(fēng)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(yīng)發(fā)電機、轉(zhuǎn)子側(cè)/網(wǎng)側(cè)變頻器及其控制和鎖相環(huán)，根據(jù)電網(wǎng)對雙饋風(fēng)機的不同需求及不同控制手段來采用相應(yīng)的簡化處理。

針對風(fēng)電并網(wǎng)的小干擾問題，目前較多學(xué)者認(rèn)為風(fēng)機并網(wǎng)后會在一定程度上改善系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性，但風(fēng)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(xué)者通過特征值分析，認(rèn)為雙饋風(fēng)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(xué)者分析了計及雙饋風(fēng)機鎖相環(huán)的動態(tài)特性接入電網(wǎng)時與同步機的耦合關(guān)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(shù)在研究機電小干擾穩(wěn)定時均忽略了雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)子側(cè)控制環(huán)節(jié)對系統(tǒng)穩(wěn)定所產(chǎn)生的影響，同時在對風(fēng)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(jù)做出詳細(xì)解釋。

隨著風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，大規(guī)模高滲透率風(fēng)機并網(wǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)電力電子化的趨勢愈發(fā)明顯，因此研究風(fēng)機通過電力電子裝備及其控制環(huán)節(jié)接入電網(wǎng)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(yīng)風(fēng)機大規(guī)模并網(wǎng)的機電尺度模型，計及其軸系傳動和轉(zhuǎn)子側(cè)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(jié)合，分析風(fēng)機轉(zhuǎn)子側(cè)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(yīng)頻率加以驗證，進一步對風(fēng)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(shù)后特征根的變化軌跡來判斷機電尺度下的主導(dǎo)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(jié)果比對得出在主導(dǎo)控制環(huán)節(jié)上附加阻尼控制的合理性，為在風(fēng)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(jù)。

圖1 雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子側(cè)控制結(jié)構(gòu)

圖2 雙饋風(fēng)電機組及其接入系統(tǒng)

圖3 風(fēng)機時間尺度劃分

圖4 算例系統(tǒng)

總結(jié)

本文針對高比例風(fēng)機并網(wǎng)的互聯(lián)系統(tǒng)，從風(fēng)機內(nèi)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(jié)論如下：

• 1）針對四機兩區(qū)系統(tǒng)高比例風(fēng)機接入電網(wǎng)，雙饋感應(yīng)風(fēng)機轉(zhuǎn)子側(cè)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(fēng)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(yīng)風(fēng)機3個主要控制環(huán)節(jié)中轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)對風(fēng)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(fēng)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(dǎo)控制環(huán)節(jié)。
• 3）對比了在PQ環(huán)和電流環(huán)附加同參數(shù)DFIG- PSS后的小干擾穩(wěn)定性及時域仿真曲線的變化，結(jié)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(jù)。

本文研究由于未考慮雙饋感應(yīng)風(fēng)電機網(wǎng)側(cè)控制環(huán)節(jié)和風(fēng)速不確定性對并網(wǎng)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(wǎng)側(cè)控制環(huán)節(jié)對小干擾穩(wěn)定的影響及其相應(yīng)的改善小干擾穩(wěn)定性的方式。