基于阻抗特性的直驅風電機組并網穩定性分析

梁福波　李曉虎　陳仕彬　孔建

摘 要：本文介紹了基于阻抗特性的直驅風電機組并網穩定性分析方法，分別得到風電機組側和電網系統的阻抗特性，根據奈奎斯特（Nyquist）判據就可以實現穩定性判別。針對典型直驅風電機組計算了其機側阻抗特性和系統阻抗特性，結果表明直驅風機接入交流電網會發生次同步振蕩，通過PSCAD/EMTDC建立仿真模型驗證了直驅風機阻抗穩定判據的正確性。

關鍵詞：阻抗特性 直驅風電機組 穩定性 并網

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0063-02

電力系統穩定性分析有時域和頻域兩種方法，時域分析法以互聯系統在時域中的小信號空間狀態模型為基礎分析模型的根軌跡，從而判斷互聯系統的穩定性及其裕度[1]。基于阻抗的穩定分析法最早由Middlebrook提出并在直流系統中使用，之后開始廣泛應用于直流、單相交流、三相交流系統的穩定性分析中[2]。在直驅風電機組并入三相交流電網穩定性分析中，采用阻抗特性方法可以把系統分為風機側阻抗特性和電網側阻抗特性分別解耦進行分析，避免了機網統一分析的復雜性問題[3]。

本文以阻抗特性為基礎進行直驅風電機組并入交流電網的穩定性分析，推導計算了直驅風電機組的等效阻抗特性，并應用Nyquist穩定性判據進行了穩定分析。

1 基于阻抗特性的直驅風電機組并網穩定性判據

直驅風電機組并網接入電網時，風電機組和電網之間會相互影響，易產生諧振或者運行不穩定工況。直驅風電機組并網接入電網后，即為向電網輸入功率，這對于整個系統來說相當于并網向電網輸入電流，所以直驅風電機組可以等效為一個理想電流源和等效阻抗并聯的結構[4]。而電網在并網點為并網系統提供了電壓基準，所以電網可以等效為一個戴維南電路，即理想電壓源與阻抗串聯。直驅風機并網系統等效簡化框如圖1所示。

理想電流源IC（s）和等效阻抗ZO（s）并聯組成直驅風電機組部分等效阻抗，理想電壓源Vg（s）和等效阻抗Zg（s）串聯組成電網系統部分阻抗。風電機組與電網兩個子系統互聯后，并網端口電壓V（s）和端口輸出電流I（s）可以表示為：

根據Nyquist穩定性判據，直驅風機并網是否穩定由G（s）的分母的極點決定，即阻抗比Zg（s）/VO（s）的Nyquist曲線不圍繞點（-1，0）。變換到對數阻抗坐標系下，即時，相角大于-180°時系統穩定，當等于-180°時系統處于臨界穩定狀態，而小于-180°時系統不穩定。

2 仿真驗證

為了驗證基于阻抗特性穩定判據的正確性，在PSCAD/EMTDC模型中搭建直驅風機并網系統模型。在所建模型中考慮鎖相環、電流調節器等控制環節。建立的直驅風電機組參數如表1所示。

基于阻抗特性的方法推導了直驅風電機組的阻抗特性和電網的阻抗特性，如圖2所示。電網側呈電感特性，其相位始終為90°；直驅風機機端阻抗在超同步頻段會呈現電容和負電阻特性，與感性的交流電網并網就可能發生諧波諧振。

定量分析由圖2可見，直驅風機逆變器系統等效輸出阻抗與電網阻抗的頻率特性在75Hz頻率處，逆變器輸出機側阻抗和電網系統阻抗幅值相等而相位差接近180°時，此時G（s）的分母阻抗將會在該頻率點達到最小值，根據奈奎斯特穩定判據，阻抗網絡將發生振蕩。若此時電網當中產生諧波成分正好接近這一頻率，則該次頻率附近的并網電流諧波將被放大，嚴重時導致系統發生振蕩甚至不穩定。當交流電網等值阻抗越大時，幅頻特性交點頻率向左移，振蕩頻率下降，次同步振蕩風險增大。

在PSCAD/EMTDC進行了時域分析對比，通過調整風機出力為0.15kA，時域仿真結果表明系統會發生次同步振蕩，通過頻譜分析看出，在73Hz處的諧波分量比較大，與理論分析基本吻合。

3 結語

本文介紹了基于阻抗特性的直驅風電機組并網穩定性分析方法，對直驅風機接入弱交流電網進行了分析計算，結果表明直驅風機接入交流電網會發生次同步振蕩，通過PSCAD/EMTDC建立仿真模型驗證了直驅風機阻抗穩定判據的正確性。

參考文獻

[1] 楊洪雨.雙饋異步發電機系統阻抗建模及穩定性分析[D]. 浙江大學，2016.

[2] Cespedes M，Sun J.Impedance Modeling and Analysis of Grid-Connected Voltage-Source Converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，29（3）：1254-1261.

[3] 王曉冬，夏立偉，劉驍，等.基于Simulink的風電并網穩定性影響因素仿真分析[J].電氣開關，2016，54（6）：31-34.

[4] 夏凱，王志新.基于PSCAD的并網風電場電壓穩定性分析研究[J].華東電力，2007，35（1）：54-57.endprint