基于阻抗特性的直驱风电机组并网稳定性分析

梁福波　李晓虎　陈仕彬　孔建

摘 要：本文介绍了基于阻抗特性的直驱风电机组并网稳定性分析方法，分别得到风电机组侧和电网系统的阻抗特性，根据奈奎斯特（Nyquist）判据就可以实现稳定性判别。针对典型直驱风电机组计算了其机侧阻抗特性和系统阻抗特性，结果表明直驱风机接入交流电网会发生次同步振荡，通过PSCAD/EMTDC建立仿真模型验证了直驱风机阻抗稳定判据的正确性。

关键词：阻抗特性 直驱风电机组 稳定性 并网

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0063-02

电力系统稳定性分析有时域和频域两种方法，时域分析法以互联系统在时域中的小信号空间状态模型为基础分析模型的根轨迹，从而判断互联系统的稳定性及其裕度[1]。基于阻抗的稳定分析法最早由Middlebrook提出并在直流系统中使用，之后开始广泛应用于直流、单相交流、三相交流系统的稳定性分析中[2]。在直驱风电机组并入三相交流电网稳定性分析中，采用阻抗特性方法可以把系统分为风机侧阻抗特性和电网侧阻抗特性分别解耦进行分析，避免了机网统一分析的复杂性问题[3]。

本文以阻抗特性为基础进行直驱风电机组并入交流电网的稳定性分析，推导计算了直驱风电机组的等效阻抗特性，并应用Nyquist稳定性判据进行了稳定分析。

1 基于阻抗特性的直驱风电机组并网稳定性判据

直驱风电机组并网接入电网时，风电机组和电网之间会相互影响，易产生谐振或者运行不稳定工况。直驱风电机组并网接入电网后，即为向电网输入功率，这对于整个系统来说相当于并网向电网输入电流，所以直驱风电机组可以等效为一个理想电流源和等效阻抗并联的结构[4]。而电网在并网点为并网系统提供了电压基准，所以电网可以等效为一个戴维南电路，即理想电压源与阻抗串联。直驱风机并网系统等效简化框如图1所示。

理想电流源IC（s）和等效阻抗ZO（s）并联组成直驱风电机组部分等效阻抗，理想电压源Vg（s）和等效阻抗Zg（s）串联组成电网系统部分阻抗。风电机组与电网两个子系统互联后，并网端口电压V（s）和端口输出电流I（s）可以表示为：

根据Nyquist稳定性判据，直驱风机并网是否稳定由G（s）的分母的极点决定，即阻抗比Zg（s）/VO（s）的Nyquist曲線不围绕点（-1，0）。变换到对数阻抗坐标系下，即时，相角大于-180°时系统稳定，当等于-180°时系统处于临界稳定状态，而小于-180°时系统不稳定。

2 仿真验证

为了验证基于阻抗特性稳定判据的正确性，在PSCAD/EMTDC模型中搭建直驱风机并网系统模型。在所建模型中考虑锁相环、电流调节器等控制环节。建立的直驱风电机组参数如表1所示。

基于阻抗特性的方法推导了直驱风电机组的阻抗特性和电网的阻抗特性，如图2所示。电网侧呈电感特性，其相位始终为90°；直驱风机机端阻抗在超同步频段会呈现电容和负电阻特性，与感性的交流电网并网就可能发生谐波谐振。

定量分析由图2可见，直驱风机逆变器系统等效输出阻抗与电网阻抗的频率特性在75Hz频率处，逆变器输出机侧阻抗和电网系统阻抗幅值相等而相位差接近180°时，此时G（s）的分母阻抗将会在该频率点达到最小值，根据奈奎斯特稳定判据，阻抗网络将发生振荡。若此时电网当中产生谐波成分正好接近这一频率，则该次频率附近的并网电流谐波将被放大，严重时导致系统发生振荡甚至不稳定。当交流电网等值阻抗越大时，幅频特性交点频率向左移，振荡频率下降，次同步振荡风险增大。

在PSCAD/EMTDC进行了时域分析对比，通过调整风机出力为0.15kA，时域仿真结果表明系统会发生次同步振荡，通过频谱分析看出，在73Hz处的谐波分量比较大，与理论分析基本吻合。

3 结语

本文介绍了基于阻抗特性的直驱风电机组并网稳定性分析方法，对直驱风机接入弱交流电网进行了分析计算，结果表明直驱风机接入交流电网会发生次同步振荡，通过PSCAD/EMTDC建立仿真模型验证了直驱风机阻抗稳定判据的正确性。

参考文献

[1] 杨洪雨.双馈异步发电机系统阻抗建模及稳定性分析[D]. 浙江大学，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] 王晓冬，夏立伟，刘骁，等.基于Simulink的风电并网稳定性影响因素仿真分析[J].电气开关，2016，54（6）：31-34.

[4] 夏凯，王志新.基于PSCAD的并网风电场电压稳定性分析研究[J].华东电力，2007，35（1）：54-57.endprint