基于阻抗特性的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)穩(wěn)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(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法，分別得到風(fēng)電機(jī)組側(cè)和電網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗特性，根據(jù)奈奎斯特（Nyquist）判據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性判別。針對(duì)典型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組計(jì)算了其機(jī)側(cè)阻抗特性和系統(tǒng)阻抗特性，結(jié)果表明直驅(qū)風(fēng)機(jī)接入交流電網(wǎng)會(huì)發(fā)生次同步振蕩，通過(guò)PSCAD/EMTDC建立仿真模型驗(yàn)證了直驅(qū)風(fēng)機(jī)阻抗穩(wěn)定判據(jù)的正確性。

關(guān)鍵詞：阻抗特性 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組 穩(wěn)定性 并網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（b）-0063-02

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析有時(shí)域和頻域兩種方法，時(shí)域分析法以互聯(lián)系統(tǒng)在時(shí)域中的小信號(hào)空間狀態(tài)模型為基礎(chǔ)分析模型的根軌跡，從而判斷互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其裕度[1]?；谧杩沟姆€(wěn)定分析法最早由Middlebrook提出并在直流系統(tǒng)中使用，之后開(kāi)始廣泛應(yīng)用于直流、單相交流、三相交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析中[2]。在直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并入三相交流電網(wǎng)穩(wěn)定性分析中，采用阻抗特性方法可以把系統(tǒng)分為風(fēng)機(jī)側(cè)阻抗特性和電網(wǎng)側(cè)阻抗特性分別解耦進(jìn)行分析，避免了機(jī)網(wǎng)統(tǒng)一分析的復(fù)雜性問(wèn)題[3]。

本文以阻抗特性為基礎(chǔ)進(jìn)行直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并入交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性分析，推導(dǎo)計(jì)算了直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的等效阻抗特性，并應(yīng)用Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)進(jìn)行了穩(wěn)定分析。

1 基于阻抗特性的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)穩(wěn)定性判據(jù)

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)接入電網(wǎng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)之間會(huì)相互影響，易產(chǎn)生諧振或者運(yùn)行不穩(wěn)定工況。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)接入電網(wǎng)后，即為向電網(wǎng)輸入功率，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于并網(wǎng)向電網(wǎng)輸入電流，所以直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組可以等效為一個(gè)理想電流源和等效阻抗并聯(lián)的結(jié)構(gòu)[4]。而電網(wǎng)在并網(wǎng)點(diǎn)為并網(wǎng)系統(tǒng)提供了電壓基準(zhǔn)，所以電網(wǎng)可以等效為一個(gè)戴維南電路，即理想電壓源與阻抗串聯(lián)。直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)等效簡(jiǎn)化框如圖1所示。

理想電流源IC（s）和等效阻抗ZO（s）并聯(lián)組成直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組部分等效阻抗，理想電壓源Vg（s）和等效阻抗Zg（s）串聯(lián)組成電網(wǎng)系統(tǒng)部分阻抗。風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)兩個(gè)子系統(tǒng)互聯(lián)后，并網(wǎng)端口電壓V（s）和端口輸出電流I（s）可以表示為：

根據(jù)Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)，直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)是否穩(wěn)定由G（s）的分母的極點(diǎn)決定，即阻抗比Zg（s）/VO（s）的Nyquist曲線(xiàn)不圍繞點(diǎn)（-1，0）。變換到對(duì)數(shù)阻抗坐標(biāo)系下，即時(shí)，相角大于-180°時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，當(dāng)?shù)扔?180°時(shí)系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，而小于-180°時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于阻抗特性穩(wěn)定判據(jù)的正確性，在PSCAD/EMTDC模型中搭建直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)模型。在所建模型中考慮鎖相環(huán)、電流調(diào)節(jié)器等控制環(huán)節(jié)。建立的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組參數(shù)如表1所示。

基于阻抗特性的方法推導(dǎo)了直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的阻抗特性和電網(wǎng)的阻抗特性，如圖2所示。電網(wǎng)側(cè)呈電感特性，其相位始終為90°；直驅(qū)風(fēng)機(jī)機(jī)端阻抗在超同步頻段會(huì)呈現(xiàn)電容和負(fù)電阻特性，與感性的交流電網(wǎng)并網(wǎng)就可能發(fā)生諧波諧振。

定量分析由圖2可見(jiàn)，直驅(qū)風(fēng)機(jī)逆變器系統(tǒng)等效輸出阻抗與電網(wǎng)阻抗的頻率特性在75Hz頻率處，逆變器輸出機(jī)側(cè)阻抗和電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗幅值相等而相位差接近180°時(shí)，此時(shí)G（s）的分母阻抗將會(huì)在該頻率點(diǎn)達(dá)到最小值，根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，阻抗網(wǎng)絡(luò)將發(fā)生振蕩。若此時(shí)電網(wǎng)當(dāng)中產(chǎn)生諧波成分正好接近這一頻率，則該次頻率附近的并網(wǎng)電流諧波將被放大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振蕩甚至不穩(wěn)定。當(dāng)交流電網(wǎng)等值阻抗越大時(shí)，幅頻特性交點(diǎn)頻率向左移，振蕩頻率下降，次同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)增大。

在PSCAD/EMTDC進(jìn)行了時(shí)域分析對(duì)比，通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)出力為0.15kA，時(shí)域仿真結(jié)果表明系統(tǒng)會(huì)發(fā)生次同步振蕩，通過(guò)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(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于阻抗特性的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法，對(duì)直驅(qū)風(fēng)機(jī)接入弱交流電網(wǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果表明直驅(qū)風(fēng)機(jī)接入交流電網(wǎng)會(huì)發(fā)生次同步振蕩，通過(guò)PSCAD/EMTDC建立仿真模型驗(yàn)證了直驅(qū)風(fēng)機(jī)阻抗穩(wěn)定判據(jù)的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊洪雨.雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)阻抗建模及穩(wěn)定性分析[D]. 浙江大學(xué)，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(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性影響因素仿真分析[J].電氣開(kāi)關(guān)，2016，54（6）：31-34.

[4] 夏凱，王志新.基于PSCAD的并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定性分析研究[J].華東電力，2007，35（1）：54-57.endprint