由于我國風(fēng)電資源和電力負(fù)荷的逆向分布特性，低短路比已成為風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)的主要形態(tài)。低短路比對稱電網(wǎng)下，雙饋風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)的交互作用易引發(fā)系統(tǒng)小干擾失穩(wěn)。不對稱電網(wǎng)下，電網(wǎng)正、負(fù)序阻抗及其序間耦合分量將與風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器產(chǎn)生更為復(fù)雜的交互作用，其帶來的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)亟需研究和評估。

目前國內(nèi)外關(guān)于低短路比對稱電網(wǎng)下雙饋風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)交互穩(wěn)定性分析與控制技術(shù)已經(jīng)有了較為豐富的研究成果。不對稱電網(wǎng)環(huán)境下的交互穩(wěn)定機(jī)理及控制對策也已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，但尚缺乏系統(tǒng)的解決方案。

該技術(shù)領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的問題有如下幾點(diǎn)：

1）從并網(wǎng)導(dǎo)則看，雙饋風(fēng)機(jī)應(yīng)響應(yīng)電網(wǎng)對正、負(fù)序無功電流的要求；從雙饋風(fēng)機(jī)看，無功電流的響應(yīng)會(huì)影響自身的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，如何對負(fù)序電流進(jìn)行約束，協(xié)調(diào)控制GSC、RSC，使其在維持自身運(yùn)行安全的前提下，滿足并網(wǎng)導(dǎo)則的要求，值得深入研究。

2）由于我國風(fēng)電資源和電力負(fù)荷的逆向分布特性，風(fēng)電機(jī)組大多接入弱電網(wǎng)，雙饋風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)阻抗的交互作用會(huì)引發(fā)系統(tǒng)的小干擾失穩(wěn)問題。為此，應(yīng)分析失穩(wěn)機(jī)理，量化失穩(wěn)因素對系統(tǒng)的影響，以期提高雙饋風(fēng)機(jī)與弱電網(wǎng)的交互穩(wěn)定。

3）雙饋風(fēng)機(jī)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(jìn)行精確建模，分析其接入電網(wǎng)的性能，從而找到適應(yīng)電網(wǎng)能力強(qiáng)的控制方法，提高并網(wǎng)可靠性。

4）面對復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)對雙饋風(fēng)機(jī)的良好控制，需要獲取精確的相位和頻率信息。改進(jìn)鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，提高鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)電壓的能力，對并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要影響。

關(guān)鍵問題1：精確建模難——雙饋風(fēng)機(jī)計(jì)及負(fù)序電流動(dòng)態(tài)下的外特性復(fù)雜，小干擾頻域建模較為困難

不對稱電網(wǎng)下，含負(fù)序控制的雙饋風(fēng)機(jī)外特性不僅與功率環(huán)、鎖相環(huán)有關(guān)，還與電流環(huán)，特別是負(fù)序電流控制環(huán)路緊密相關(guān)。研究表明，對稱電網(wǎng)條件下，雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型已達(dá)12階[8]，不對稱電網(wǎng)條件下計(jì)及負(fù)序電流控制后雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型或可達(dá)36階之高（考慮轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制以及必要的濾波環(huán)節(jié)）。

特別是，負(fù)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性迥異。這進(jìn)一步增加了建模分析的難度。因此，低短路比不對稱電網(wǎng)下，如何精確刻畫雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的外特性是小干擾穩(wěn)定性分析的基本挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵問題2：定量分析難——不對稱電網(wǎng)下雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)存在正負(fù)序間阻抗耦合，相互作用機(jī)理復(fù)雜，且缺乏有效的量化評估手段

雙饋風(fēng)機(jī)-不對稱故障網(wǎng)絡(luò)是典型的多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）系統(tǒng)，其包含正序風(fēng)機(jī)、正序網(wǎng)絡(luò)、負(fù)序風(fēng)機(jī)、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)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(guān)系復(fù)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(jīng)難以奏效。特別是，正負(fù)序耦合作用機(jī)制不清，量化評估手段匱乏。

圖1 雙饋風(fēng)機(jī)-故障網(wǎng)絡(luò)序間耦合示意圖

關(guān)鍵問題3：協(xié)同控制難——不對稱電網(wǎng)下雙饋風(fēng)機(jī)GSC、RSC控制高度耦合，協(xié)同設(shè)計(jì)難度大

對稱電網(wǎng)條件下，雙饋風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的整體阻抗特性。然而，當(dāng)電網(wǎng)不對稱時(shí)，為實(shí)現(xiàn)負(fù)序電流響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制等目標(biāo)，雙饋風(fēng)機(jī)GSC、RSC之間控制高度耦合。此時(shí)，GSC、RSC獨(dú)立建模的方式已經(jīng)難以奏效，需充分考慮兩變流器之間的強(qiáng)耦合特性。因此，如何對雙饋風(fēng)機(jī)兩變流器實(shí)施協(xié)同控制和穩(wěn)定設(shè)計(jì)，構(gòu)成了又一重要挑戰(zhàn)。

中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院等單位的研究人員指出：

1）不對稱故障期間，風(fēng)機(jī)和電網(wǎng)自身及其之間均存在正、負(fù)序阻抗耦合。因此，需完整刻畫風(fēng)機(jī)耦合控制特性和故障網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性，以精確建立雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)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(jù)評估系統(tǒng)穩(wěn)定性，以探明影響雙饋風(fēng)機(jī)裝備穩(wěn)定性的關(guān)鍵制約因素。

3）為實(shí)現(xiàn)負(fù)序電流響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制的雙重目標(biāo)，需充分考慮機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)兩變流器之間的強(qiáng)耦合特性，通過協(xié)同負(fù)序控制及一體化阻抗重塑策略，以增強(qiáng)不對稱弱電網(wǎng)工況下雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文編自2021年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“低短路比電網(wǎng)下含負(fù)序控制雙饋風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性研究的幾個(gè)關(guān)鍵問題”，作者為徐海亮、吳瀚 等。