中文題目:基于阻抗建模的永磁同步風機機電耦合振蕩穩定性與諧波分析
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 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,直驅風機并網系統的動態特性主要由電氣子系統控制。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,自然而然地引發了在直驅風機小信號建模中將機械軸系統忽略是否合理的問題。為此,本文探討了考慮機械子系統對電磁振蕩問題研究的意義,為直驅風機的電磁振蕩問題提供了更為準確的穩定性分析工具。
摘要:
永磁同步直驅風機的輸出動態特性會對系統阻尼產生重大影響,進而影響其穩定性。傳統觀點認為,風機的并網特性僅由電氣子系統決定。然而,隨著風機輸出功率的不斷增大,轉子軸系的強度大大提高,但在研究直驅風機并網系統的電磁振蕩問題時,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和電氣子系統以及它們之間的耦合關系,建立了abc坐標系下的直驅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之間的明確諧波傳遞關系,明確機械和電氣子系統之間的相互作用機制,揭示機械子系統對電磁振蕩穩定性的影響。最后,采用振蕩案例的穩定性分析仿真,驗證機電耦聯效應對系統穩定性的影響。
背景與動機:
隨著我國新能源發電占比逐漸升高,電網結構愈加復雜,大型風電場并網系統的振蕩事件已成為威脅電力系統安全的重要因素。2015年我國新疆哈密地區風電基地發生大規模次/超同步振蕩事件,引發大規模風電機組脫網并觸發火電機組軸系扭振,造成重大損失。并網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相互傳遞。本文探究機械子系統與電氣子系統之間的耦合交互機制對于電磁振蕩的影響,對于風電大規模安全穩定送出具有重要意義。
設計與實現:
本文考慮了機械軸子系統和電氣子系統的耦合效應,構建了直驅風機在abc旋轉坐標系中的小信號輸出阻抗模型,其中機械子系統由雙質量-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,以確定機械子系統對電磁振蕩穩定性的影響。
主要內容:
構建如圖1所示包括機械和電氣子系統的直驅風機并網系統的序阻抗模型:
圖1 直驅風機并網系統結構
通過 MATLAB/Simulink 中的掃頻測量結果驗證了阻抗解析模型:
圖2 直驅風機的等效阻抗模型驗證
建立了機械和電氣子系統之間的諧波傳遞關系,揭示了機械和電氣子系統之間的相互作用,指明了機械子系統中的速度擾動和電氣子系統的諧波轉遞關系:
圖3 直驅風機中諧波的傳遞關系
分析了轉子轉動慣量和軸系阻尼系數對系統阻抗特性的影響:
圖4 轉子轉動慣量(左)和軸系阻尼系數(右)影響分析
針對機電耦合效應對系統穩定性的影響進行了穩定性分析:
圖5系統阻抗Bode圖(左)系統穩定性分析的Nyquist圖(右)
通過向直驅風機并網系統注入小擾動(短路比從3切換到2)以驗證系統在小擾動下的穩定性,時域仿真結果與理論分析結果一致。
圖6 系統振蕩時域波形
圖7系統振蕩頻域頻譜
結論:
本文提出了一種考慮機電耦合效應的直驅風機阻抗模型,旨在強調將機械子系統納入電磁振蕩問題研究的重要性,描述了直驅風機機械和電氣子系統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。具體表現為電氣子系統中電流和電壓諧波的存在會引起發電機的電磁轉矩擾動,反過來又會導致轉子軸系統中旋轉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子慣量和阻尼系數大小的影響。結果表明,所提出考慮了機電耦合效應的直驅風機阻抗模型可為直驅風機的電磁振蕩問題提供更準確的穩定性分析工具。
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系統穩定性、油氣與新能源融合領域的研究,發表SCI/EI收錄學術論文40余篇,授權發明專利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秀博士學位論文1項、國際會議優秀論文獎2項。
聯系方式:liubin6410@126.com