由于我國風電資源和電力負荷的逆向分布特性，低短路比已成為風電機組接入電網的主要形態。低短路比對稱電網下，雙饋風機與電網的交互作用易引發系統小干擾失穩。不對稱電網下，電網正、負序阻抗及其序間耦合分量將與風機網側、轉子側變流器產生更為復雜的交互作用，其帶來的失穩風險亟需研究和評估。

目前國內外關于低短路比對稱電網下雙饋風機與電網交互穩定性分析與控制技術已經有了較為豐富的研究成果。不對稱電網環境下的交互穩定機理及控制對策也已經引起廣泛關注，但尚缺乏系統的解決方案。

該技術領域需要重點關注的問題有如下幾點：

1）從并網導則看，雙饋風機應響應電網對正、負序無功電流的要求；從雙饋風機看，無功電流的響應會影響自身的穩定運行。因此，如何對負序電流進行約束，協調控制GSC、RSC，使其在維持自身運行安全的前提下，滿足并網導則的要求，值得深入研究。

2）由于我國風電資源和電力負荷的逆向分布特性，風電機組大多接入弱電網，雙饋風機與電網阻抗的交互作用會引發系統的小干擾失穩問題。為此，應分析失穩機理，量化失穩因素對系統的影響，以期提高雙饋風機與弱電網的交互穩定。

3）雙饋風機控制方法多樣，致使其建模方法和模型有所不同，也就表現出不同的阻抗特性。為此，對不同控制方法進行精確建模，分析其接入電網的性能，從而找到適應電網能力強的控制方法，提高并網可靠性。

4）面對復雜電網環境，為實現對雙饋風機的良好控制，需要獲取精確的相位和頻率信息。改進鎖相環結構，提高鎖相環跟蹤電網電壓的能力，對并網系統穩定性具有重要影響。

關鍵問題1：精確建模難——雙饋風機計及負序電流動態下的外特性復雜，小干擾頻域建模較為困難

不對稱電網下，含負序控制的雙饋風機外特性不僅與功率環、鎖相環有關，還與電流環，特別是負序電流控制環路緊密相關。研究表明，對稱電網條件下，雙饋風機系統的狀態空間模型已達12階[8]，不對稱電網條件下計及負序電流控制后雙饋風機系統模型或可達36階之高（考慮轉矩波動抑制以及必要的濾波環節）。

特別是，負序電流可以采用多種控制方式，每種控制方式下電流環的動態響應特性迥異。這進一步增加了建模分析的難度。因此，低短路比不對稱電網下，如何精確刻畫雙饋風機并網系統的外特性是小干擾穩定性分析的基本挑戰。

關鍵問題2：定量分析難——不對稱電網下雙饋風機系統存在正負序間阻抗耦合，相互作用機理復雜，且缺乏有效的量化評估手段

雙饋風機-不對稱故障網絡是典型的多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）系統，其包含正序風機、正序網絡、負序風機、負序網絡及其序間耦合支路，如圖1所示。這些組成部分與系統整體穩定性間的關系復雜，傳統針對單輸入單輸出（Single Input Single Output, SISO）系統的穩定性分析方法已經難以奏效。特別是，正負序耦合作用機制不清，量化評估手段匱乏。

圖1 雙饋風機-故障網絡序間耦合示意圖

關鍵問題3：協同控制難——不對稱電網下雙饋風機GSC、RSC控制高度耦合，協同設計難度大

對稱電網條件下，雙饋風機GSC、RSC控制完全解耦，通過分別建立二者的頻域阻抗模型即可獲得風機的整體阻抗特性。然而，當電網不對稱時，為實現負序電流響應、轉矩波動抑制等目標，雙饋風機GSC、RSC之間控制高度耦合。此時，GSC、RSC獨立建模的方式已經難以奏效，需充分考慮兩變流器之間的強耦合特性。因此，如何對雙饋風機兩變流器實施協同控制和穩定設計，構成了又一重要挑戰。

中國石油大學（華東）新能源學院等單位的研究人員指出：

1）不對稱故障期間，風機和電網自身及其之間均存在正、負序阻抗耦合。因此，需完整刻畫風機耦合控制特性和故障網絡動態特性，以精確建立雙饋風機并網系統的小干擾頻域模型。

2）立足于所建立的模型，借助廣義奈奎斯特判據評估系統穩定性，以探明影響雙饋風機裝備穩定性的關鍵制約因素。

3）為實現負序電流響應、轉矩波動抑制的雙重目標，需充分考慮機側、網側兩變流器之間的強耦合特性，通過協同負序控制及一體化阻抗重塑策略，以增強不對稱弱電網工況下雙饋風機并網系統的穩定性。

本文編自2021年第22期《電工技術學報》，論文標題為“低短路比電網下含負序控制雙饋風機穩定性研究的幾個關鍵問題”，作者為徐海亮、吳瀚 等。