[发明专利]计及频率耦合效应的无刷双馈风机建模及稳定性分析方法

说明书

本发明公开了一种计及频率耦合效应的无刷双馈风机建模及稳定性分析方法。该方法计及不对称控制环节对系统输入导纳的影响，建立了无刷双馈风机频率耦合特征的解析模型。首先，基于谐波线性化方法，对无刷双馈风机本体和控制环节进行线性化建模；其次，通过坐标变换，将无刷双馈风机本体和控制环节的线性化模型联立；再次，推导获得无刷双馈风机系统的完整解析表达式；该方法还基于所建立的解析模型，给出了运用广义奈奎斯特稳定判据，分析弱电网条件下无刷双馈风机稳定性分析的步骤。本发明为无刷双馈风机并网系统的稳定性分析提供了重要参考。

技术领域

本发明属于无刷双馈风机小信号稳定性研究领域，尤其涉及一种计及频率耦合效应的无刷双馈风机建模及稳定性分析方法。

背景技术

在当前“碳达峰”、“碳中和”的大背景下，新能源的大规模开发变得尤为重要。风力发电经过多年的技术实践和商业应用，已经成为公认的最具发展前景的新能源发电技术之一。但是，我国风电场大多位于“三北”地区，线路传输距离较长，且需要经过多级变压器，导致电网阻抗不可忽略，风电场与弱电网之间的耦合不断加深，其引发的稳定性问题已引起广泛关注。值得注意的是，国内外已有的风电场失稳事故大都出现了一种次/超同步频率分量相互依存的振荡现象，被称为频率耦合效应，即当并网点电压出现某一频率的扰动分量时，会导致两个不同频率的电流分量。已有研究表明，频率耦合主要是由于控制系统中锁相环和电流环的不对称控制引起的。

目前，状态空间法和阻抗分析法都被广泛应用于双馈风机的小信号稳定性分析。其中，状态空间法通过列写弱电网-风电场系统的状态方程，计算各状态变量的特征值及各环节的参与因子来分析系统的稳定性。但是由于同时列写整个系统的状态方程，系统的任一环节发生改动就需要重新建立方程进行分析。而且状态空间方程需要系统的精确模型和参数，有时在工程实际中难以获得，实施难度较大。

阻抗分析法通过建立并网系统的输入阻抗或导纳模型，然后根据广义奈奎斯特稳定判据分析其稳定性。与状态空间法相比，阻抗分析法可以将风电场与弱电网分别建模，因此当系统的某一环节发生改变时，只需要对该环节单独建模即可继续进行稳定性分析。且阻抗分析法若需要的阻抗或导纳模型可以通过实验测量或仿真模型直接获取。

国内外学者针对无刷双馈风机的小信号稳定性问题已经做出如下研究：

根据阻抗分析法，在统一矢量坐标系下，首先推导得到了无刷双馈风机本体的输入导纳模型；之后，计及电网电压扰动在控制系统中的传递路径，建立电流环和锁相环的传递函数模型；最终得到了无刷双馈风机系统的完整输入导纳模型，并根据广义奈奎斯特判据分析了系统的稳定性。但是统一矢量坐标系下无刷双馈风机系统中各变量均为直流量，无法分析扰动频率分量引起的频率耦合效应对系统稳定性的影响，导致稳定性分析结果不够精确。

值得注意的是，与双馈风机相比，由于无刷双馈风机复杂的电机结构和数学模型，其稳定性研究具有一定的挑战性。

因此，目前需要建立一种综合考虑电机本体以及控制系统中锁相环、电流环的不对称控制的无刷双馈风机频率耦合特征的输入导纳小信号模型。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种计及频率耦合效应的无刷双馈风机建模及稳定性分析方法。本发明建立计及频率耦合效应的无刷双馈风机输入导纳小信号模型，并通过稳定性判据对系统进行稳定性分析。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种计及频率耦合效应的并网无刷双馈风机建模及稳定性分析方法，包括如下步骤：

(1)建立并网无刷双馈风机系统的频域解析模型；

(2)基于步骤(1)建立的计及频率耦合效应的无刷双馈风机导纳模型和弱电网阻抗的频域阻抗模型，分析频率耦合效应强弱及系统稳定性。

进一步地，步骤(1)包括：