基于阻抗建模的永磁同步風機機電耦合振蕩穩(wěn)定性與諧波分析
中文題目：基于阻抗建模的永磁同步風機機電耦合振蕩穩(wěn)定性與諧波分析
論文題目：Oscillatory Stability and Harmonics Analysis of Electro-mechanical Coupling in PMSG-WTs via Impedance Modeling
錄用期刊：Renewable Energy (中科院大類1區(qū)TOP期刊)
原文DOI：10.1016/j.renene.2025.122845
見刊時間：2025.03.15
作者列表：
1）劉 斌 中國石油大學（北京）人工智能學院 自動化系教師
2）劉曉萌 中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程專業(yè) 碩24
3）檀朝東 中國石油大學（北京）人工智能學院 自動化系教師
4）高小永 中國石油大學（北京）人工智能學院 自動化系教師
5）李 震 北京理工大學 自動化學院教師
6）Samson S.Yu 迪肯大學 工程學院教師
7）Abdelali El Aroudi 羅維拉-威爾吉利大學 電氣、電子和自動控制工程系教師
8）梁 軍 卡迪夫大學 工程學院教師
文章簡介:
普遍認為，直驅(qū)風機并網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)特性主要由電氣子系統(tǒng)控制。隨著風機輸出容量的大幅增加，葉片尺寸增長，軸系所承受壓力急劇增長，自然而然地引發(fā)了在直驅(qū)風機小信號建模中將機械軸系統(tǒng)忽略是否合理的問題。為此，本文探討了考慮機械子系統(tǒng)對電磁振蕩問題研究的意義，為直驅(qū)風機的電磁振蕩問題提供了更為準確的穩(wěn)定性分析工具。
摘要:
永磁同步直驅(qū)風機的輸出動態(tài)特性會對系統(tǒng)阻尼產(chǎn)生重大影響，進而影響其穩(wěn)定性。傳統(tǒng)觀點認為，風機的并網(wǎng)特性僅由電氣子系統(tǒng)決定。然而，隨著風機輸出功率的不斷增大，轉(zhuǎn)子軸系的強度大大提高，但在研究直驅(qū)風機并網(wǎng)系統(tǒng)的電磁振蕩問題時，很少有研究探討機電耦合效應的重要性。本章考慮機械軸系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)以及它們之間的耦合關系，建立了abc坐標系下的直驅(qū)風機小信號輸出阻抗模型，并通過 MATLAB/Simulink仿真模型頻率掃描進行了驗證。然后研究了機電耦合效應對輸出阻抗特性的影響，建立機械和電氣子系統(tǒng)之間的明確諧波傳遞關系，明確機械和電氣子系統(tǒng)之間的相互作用機制，揭示機械子系統(tǒng)對電磁振蕩穩(wěn)定性的影響。最后，采用振蕩案例的穩(wěn)定性分析仿真，驗證機電耦聯(lián)效應對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
背景與動機:
隨著我國新能源發(fā)電占比逐漸升高，電網(wǎng)結構愈加復雜，大型風電場并網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩事件已成為威脅電力系統(tǒng)安全的重要因素。2015年我國新疆哈密地區(qū)風電基地發(fā)生大規(guī)模次/超同步振蕩事件，引發(fā)大規(guī)模風電機組脫網(wǎng)并觸發(fā)火電機組軸系扭振，造成重大損失。并網(wǎng)風電場中的振蕩問題可分為軸系扭振和電磁振蕩，兩者之間通過軸系機械系統(tǒng)相互傳遞。本文探究機械子系統(tǒng)與電氣子系統(tǒng)之間的耦合交互機制對于電磁振蕩的影響，對于風電大規(guī)模安全穩(wěn)定送出具有重要意義。
設計與實現(xiàn):
本文考慮了機械軸子系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)的耦合效應，構建了直驅(qū)風機在abc旋轉(zhuǎn)坐標系中的小信號輸出阻抗模型，其中機械子系統(tǒng)由雙質(zhì)量-彈簧模型來表示。通過在 MATLAB/Simulink 中進行掃頻驗證所提出的解析模型。進一步在機械和電氣子系統(tǒng)之間建立明確的諧波傳遞關系，研究了機電耦合對輸出阻抗特性的影響，以確定機械子系統(tǒng)對電磁振蕩穩(wěn)定性的影響。
主要內(nèi)容:
構建如圖1所示包括機械和電氣子系統(tǒng)的直驅(qū)風機并網(wǎng)系統(tǒng)的序阻抗模型：
圖1 直驅(qū)風機并網(wǎng)系統(tǒng)結構
通過 MATLAB/Simulink 中的掃頻測量結果驗證了阻抗解析模型：
圖2 直驅(qū)風機的等效阻抗模型驗證
建立了機械和電氣子系統(tǒng)之間的諧波傳遞關系，揭示了機械和電氣子系統(tǒng)之間的相互作用，指明了機械子系統(tǒng)中的速度擾動和電氣子系統(tǒng)的諧波轉(zhuǎn)遞關系：
圖3 直驅(qū)風機中諧波的傳遞關系
分析了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量和軸系阻尼系數(shù)對系統(tǒng)阻抗特性的影響：
圖4 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（左）和軸系阻尼系數(shù)（右）影響分析
針對機電耦合效應對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進行了穩(wěn)定性分析：
圖5系統(tǒng)阻抗Bode圖（左）系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的Nyquist圖（右）
通過向直驅(qū)風機并網(wǎng)系統(tǒng)注入小擾動（短路比從3切換到2）以驗證系統(tǒng)在小擾動下的穩(wěn)定性，時域仿真結果與理論分析結果一致。
圖6 系統(tǒng)振蕩時域波形
圖7系統(tǒng)振蕩頻域頻譜
結論:
本文提出了一種考慮機電耦合效應的直驅(qū)風機阻抗模型，旨在強調(diào)將機械子系統(tǒng)納入電磁振蕩問題研究的重要性，描述了直驅(qū)風機機械和電氣子系統(tǒng)之間的諧波傳遞關系，說明了機電耦合效應對輸出阻抗特性的影響。具體表現(xiàn)為電氣子系統(tǒng)中電流和電壓諧波的存在會引起發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩擾動，反過來又會導致轉(zhuǎn)子軸系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)角速度和電氣角位置擾動，其次機電耦合效應的強度會受到轉(zhuǎn)子慣量和阻尼系數(shù)大小的影響。結果表明，所提出考慮了機電耦合效應的直驅(qū)風機阻抗模型可為直驅(qū)風機的電磁振蕩問題提供更準確的穩(wěn)定性分析工具。
關于作者:
劉斌，特任崗位副教授。IEEE電路與系統(tǒng)學會技術委員會成員，中國電工技術學會、中國電源學會高級會員。2014年于山東大學數(shù)學學院獲學士學位，2021年于北京理工大學自動化學院獲博士學位，2021年至2023年于清華大學電機系進行博士后研究工作。主要從事新能源并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性、油氣與新能源融合領域的研究，發(fā)表SCI/EI收錄學術論文40余篇，授權發(fā)明專利4項，參編專著2部。主持省部級縱向課題1項，作為主研人參與國家重點研發(fā)計劃4項、國家自然科學基金項目3項、省部級以上縱向/橫向項目20余項。曾獲北京理工大學校優(yōu)秀博士學位論文1項、國際會議優(yōu)秀論文獎2項。
聯(lián)系方式：liubin6410@126.com