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(tài)。低短路比對稱電網下，雙饋風機與電網的交互作用易引發(fā)系統(tǒng)小干擾失穩(wěn)。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(wěn)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(wěn)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(huán)境下的交互穩(wěn)定機理及控制對策也已經引起廣泛關注，但尚缺乏系統(tǒng)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(wěn)定運行。因此，如何對負序電流進行約束，協(xié)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(fā)系統(tǒng)的小干擾失穩(wěn)問題。為此，應分析失穩(wěn)機理，量化失穩(wěn)因素對系統(tǒng)的影響，以期提高雙饋風機與弱電網的交互穩(wěn)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(xiàn)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(huán)境，為實現(xiàn)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(huán)結構，提高鎖相環(huán)跟蹤電網電壓的能力，對并網系統(tǒng)穩(wěn)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(tài)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(huán)、鎖相環(huán)有關，還與電流環(huán)，特別是負序電流控制環(huán)路緊密相關。研究表明，對稱電網條件下，雙饋風機系統(tǒng)的狀態(tài)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(tǒng)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(huán)節(jié)）。

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(huán)的動態(tài)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(tǒng)的外特性是小干擾穩(wěn)定性分析的基本挑戰(zhàn)。

關鍵問題2：定量分析難——不對稱電網下雙饋風機系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)整體穩(wěn)定性間的關系復雜，傳統(tǒng)針對單輸入單輸出（Single Input Single Output, SISO）系統(tǒng)的穩(wěn)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(xié)同控制難——不對稱電網下雙饋風機GSC、RSC控制高度耦合，協(xié)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(xiàn)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(xié)同控制和穩(wěn)定設計，構成了又一重要挑戰(zhàn)。

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(tài)特性，以精確建立雙饋風機并網系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定性，以探明影響雙饋風機裝備穩(wěn)定性的關鍵制約因素。

3）為實現(xiàn)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(xié)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(tǒng)的穩(wěn)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(wěn)定性研究的幾個關鍵問題”，作者為徐海亮、吳瀚 等。