科研動(dòng)態(tài)
基于阻抗建模的永磁同步風(fēng)機(jī)機(jī)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(fēng)機(jī)機(jī)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(jiàn)刊時(shí)間：2025.03.15
作者列表：
1）劉 斌 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系教師
2）劉曉萌 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程專業(yè) 碩24
3）檀朝東 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系教師
4）高小永 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系教師
5）李 震 北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院教師
6）Samson S.Yu 迪肯大學(xué) 工程學(xué)院教師
7）Abdelali El Aroudi 羅維拉-威爾吉利大學(xué) 電氣、電子和自動(dòng)控制工程系教師
8）梁 軍 卡迪夫大學(xué) 工程學(xué)院教師
文章簡(jiǎn)介:
普遍認(rèn)為，直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要由電氣子系統(tǒng)控制。隨著風(fēng)機(jī)輸出容量的大幅增加，葉片尺寸增長(zhǎng)，軸系所承受壓力急劇增長(zhǎng)，自然而然地引發(fā)了在直驅(qū)風(fēng)機(jī)小信號(hào)建模中將機(jī)械軸系統(tǒng)忽略是否合理的問(wèn)題。為此，本文探討了考慮機(jī)械子系統(tǒng)對(duì)電磁振蕩問(wèn)題研究的意義，為直驅(qū)風(fēng)機(jī)的電磁振蕩問(wèn)題提供了更為準(zhǔn)確的穩(wěn)定性分析工具。
摘要:
永磁同步直驅(qū)風(fēng)機(jī)的輸出動(dòng)態(tài)特性會(huì)對(duì)系統(tǒng)阻尼產(chǎn)生重大影響，進(jìn)而影響其穩(wěn)定性。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)特性僅由電氣子系統(tǒng)決定。然而，隨著風(fēng)機(jī)輸出功率的不斷增大，轉(zhuǎn)子軸系的強(qiáng)度大大提高，但在研究直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的電磁振蕩問(wèn)題時(shí)，很少有研究探討機(jī)電耦合效應(yīng)的重要性。本章考慮機(jī)械軸系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)以及它們之間的耦合關(guān)系，建立了abc坐標(biāo)系下的直驅(qū)風(fēng)機(jī)小信號(hào)輸出阻抗模型，并通過(guò) MATLAB/Simulink仿真模型頻率掃描進(jìn)行了驗(yàn)證。然后研究了機(jī)電耦合效應(yīng)對(duì)輸出阻抗特性的影響，建立機(jī)械和電氣子系統(tǒng)之間的明確諧波傳遞關(guān)系，明確機(jī)械和電氣子系統(tǒng)之間的相互作用機(jī)制，揭示機(jī)械子系統(tǒng)對(duì)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(yàn)證機(jī)電耦聯(lián)效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
背景與動(dòng)機(jī):
隨著我國(guó)新能源發(fā)電占比逐漸升高，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，大型風(fēng)電場(chǎng)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(guó)新疆哈密地區(qū)風(fēng)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(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)并觸發(fā)火電機(jī)組軸系扭振，造成重大損失。并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)中的振蕩問(wèn)題可分為軸系扭振和電磁振蕩，兩者之間通過(guò)軸系機(jī)械系統(tǒng)相互傳遞。本文探究機(jī)械子系統(tǒng)與電氣子系統(tǒng)之間的耦合交互機(jī)制對(duì)于電磁振蕩的影響，對(duì)于風(fēng)電大規(guī)模安全穩(wěn)定送出具有重要意義。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
本文考慮了機(jī)械軸子系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)的耦合效應(yīng)，構(gòu)建了直驅(qū)風(fēng)機(jī)在abc旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的小信號(hào)輸出阻抗模型，其中機(jī)械子系統(tǒng)由雙質(zhì)量-彈簧模型來(lái)表示。通過(guò)在 MATLAB/Simulink 中進(jìn)行掃頻驗(yàn)證所提出的解析模型。進(jìn)一步在機(jī)械和電氣子系統(tǒng)之間建立明確的諧波傳遞關(guān)系，研究了機(jī)電耦合對(duì)輸出阻抗特性的影響，以確定機(jī)械子系統(tǒng)對(duì)電磁振蕩穩(wěn)定性的影響。
主要內(nèi)容:
構(gòu)建如圖1所示包括機(jī)械和電氣子系統(tǒng)的直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的序阻抗模型：
圖1 直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
通過(guò) MATLAB/Simulink 中的掃頻測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了阻抗解析模型：
圖2 直驅(qū)風(fēng)機(jī)的等效阻抗模型驗(yàn)證
建立了機(jī)械和電氣子系統(tǒng)之間的諧波傳遞關(guān)系，揭示了機(jī)械和電氣子系統(tǒng)之間的相互作用，指明了機(jī)械子系統(tǒng)中的速度擾動(dòng)和電氣子系統(tǒng)的諧波轉(zhuǎn)遞關(guān)系：
圖3 直驅(qū)風(fēng)機(jī)中諧波的傳遞關(guān)系
分析了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和軸系阻尼系數(shù)對(duì)系統(tǒng)阻抗特性的影響：
圖4 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（左）和軸系阻尼系數(shù)（右）影響分析
針對(duì)機(jī)電耦合效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)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(guò)向直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)注入小擾動(dòng)（短路比從3切換到2）以驗(yàn)證系統(tǒng)在小擾動(dòng)下的穩(wěn)定性，時(shí)域仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。
圖6 系統(tǒng)振蕩時(shí)域波形
圖7系統(tǒng)振蕩頻域頻譜
結(jié)論:
本文提出了一種考慮機(jī)電耦合效應(yīng)的直驅(qū)風(fēng)機(jī)阻抗模型，旨在強(qiáng)調(diào)將機(jī)械子系統(tǒng)納入電磁振蕩問(wèn)題研究的重要性，描述了直驅(qū)風(fēng)機(jī)機(jī)械和電氣子系統(tǒng)之間的諧波傳遞關(guān)系，說(shuō)明了機(jī)電耦合效應(yīng)對(duì)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(huì)引起發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)，反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)角速度和電氣角位置擾動(dòng)，其次機(jī)電耦合效應(yīng)的強(qiáng)度會(huì)受到轉(zhuǎn)子慣量和阻尼系數(shù)大小的影響。結(jié)果表明，所提出考慮了機(jī)電耦合效應(yīng)的直驅(qū)風(fēng)機(jī)阻抗模型可為直驅(qū)風(fēng)機(jī)的電磁振蕩問(wèn)題提供更準(zhǔn)確的穩(wěn)定性分析工具。
關(guān)于作者:
劉斌，特任崗位副教授。IEEE電路與系統(tǒng)學(xué)會(huì)技術(shù)委員會(huì)成員，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)、中國(guó)電源學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員。2014年于山東大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，2021年于北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院獲博士學(xué)位，2021年至2023年于清華大學(xué)電機(jī)系進(jìn)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(lǐng)域的研究，發(fā)表SCI/EI收錄學(xué)術(shù)論文40余篇，授權(quán)發(fā)明專利4項(xiàng)，參編專著2部。主持省部級(jí)縱向課題1項(xiàng)，作為主研人參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃4項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)、省部級(jí)以上縱向/橫向項(xiàng)目20余項(xiàng)。曾獲北京理工大學(xué)校優(yōu)秀博士學(xué)位論文1項(xiàng)、國(guó)際會(huì)議優(yōu)秀論文獎(jiǎng)2項(xiàng)。
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