电力系统保护与控制 第 50 卷 第 5 期 2022 年 3 月 1 日 Power System Protection and Control Vol.50 No.5 Mar. 1, 2022 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.210362 电网故障下全功率风电场内部机组的暂态稳定性分析 柳飞扬，曾 平，李 征 (东华大学信息科学与技术学院，上海 201620) 摘要：全功率风电场中机组并网运行的稳定性往往与网侧变流器的控制和并网阻抗有关，因而风电场中机组的失 稳并不是同时发生的。为揭示风电场中机组的位置与其暂态稳定性的关系以及机组间稳定性的相互影响，建立了 基于锁相环的多风电机组非线性降阶模型。基于等面积法的思想，分析了不同运行条件下风电场内部不同机组的 暂态稳定裕度以及场内线路阻抗对稳定性的影响。通过 Matlab/Simulink 时域仿真，进行了定量分析和验证。结果 表明，风电场内馈线阻抗将减少输出电流流经该阻抗所联接机组的暂态稳定域，而对输出电流不流经该阻抗的其 他机组的暂态稳定性影响很小。阻抗上流过的电流越大，其对稳定裕度的缩减也越明显，因而，随着链接机组台 数增多，不能简单忽略场内阻抗对稳定性的影响。此外，在相同条件下，有功出力大的机组将更易失稳。 关键词：电网故障；全功率风电场；暂态稳定性；锁相环；等面积法；稳定裕度；场内阻抗 Transient stability analysis of wind turbines with a full-scale converter under grid fault LIU Feiyang, ZENG Ping, LI Zheng (College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China) Abstract: The stability of grid-connected operation of full-scale wind turbines in wind farms is often related to the control of the grid-side converter of the turbine and the impedance between grid and the turbine. Therefore, the instability of wind turbines in a wind farm does not always occur at the same time. In order to reveal the relationship between the location of wind turbines and their transient stability, as well as the interaction on stability between wind turbines, a nonlinear reduced order model of multi wind turbines based on phase-locked loop is established. Based on the theory of equal-area-principle, the transient stability margin of different turbines in the wind farm under different operating conditions and the influence of line impedance on the stability are then analyzed. Through Matlab/Simulink time domain simulation, quantitative analysis and verification are carried out. The results show that the feeder impedance in the wind farm will reduce the transient stability region of the connected turbines whose output current flow through the impedance, and has little effect on the transient stability of other turbines whose output current does not flow through the impedance. The greater the current flowing through the impedance is, the smaller the stability margin. Therefore, with the increase of the number of turbines linked on a feeder line, the impact of the internal impedance of a wind farm on stability cannot be simply ignored. In addition, the larger output of a wind turbine, the easier it is for it to become unstable under the same conditions. This work is supported by the Key Project of the Natural Science Foundation of China (No. 51837007). Key words: grid fault; full-scale wind farm; transient stability; phase-locked loop; equal-area-principle; stability margin; internal impedance of wind farm 0 引言 风能作为一种清洁高效且储量丰富的可再生能 源，在能源危机和环境保护问题日益严峻的当下， 基金项目：国家自然科学基金重点项目资助(51837007) 受到了世界各国的广泛关注[1-4]。大量分布式能源通 过并网变流器接入电网，降低了系统的惯量，由此 导致的并网稳定性问题时有发生[5-8]。其中，诸如文 献[9]中发生的风电场并网的暂态稳定性问题引起 了相关从业者的广泛重视，在风电渗透率不断增加 的背景下，风电并网的暂态稳定性研究具有极其重 - 44 - 电力系统保护与控制 要的意义。 全功率变速风电机组变流器多采用矢量控制， 锁相环(PLL)能够估计电网端电压的频率和角度，为 矢量控制提供基准。然而，基于矢量控制下的网侧 电压源型变流器(VSC)在连接到较弱电网或电网严 重故障时很可能会产生同步稳定性问题[10-14]。相关 研究表明，PLL 对于网侧 VSC 的小信号稳定性极其 重要。文献[11-12]采用特征值法研究了 PLL 增益和 带宽对 VSC 稳定性的影响。文献[15]采用复转矩系 数法研究了 PLL 和交流控制系统的阻尼特性对 VSC 稳定性的影响。文献[16]采用阻抗分析法研究 了弱电网下 PLL 和电流环控制参数对 VSC 稳定性 的影响。不仅如此，在实际电力系统中，电网故障 会对 PLL 产生不同程度的影响，这取决于电网故障 的严重程度、故障位置、线路配置以及系统的控制 和电气参数等[17-19]。文献[20]指出，电网故障下 PLL 和电流控制环的非线性相互作用会对系统的暂态稳 定性产生很大影响。越来越多的研究表明，锁相环 的动态特性会与机组有功电流及机组到电网之间的 阻抗特性耦合，在电网故障期间，由锁相环主导的 非线性动力学行为很有可能导致系统暂态失稳，这 一点在较弱电网条件下尤为明显。因此，若要研究 风电场的暂态稳定性，则必须考虑电网故障期间 PLL 与网侧 VSC 的相互作用， 这意味着必须对 PLL 进行合理建模。 针对电网故障下 PLL 的动态行为已有一些研 究。文献[21]研究了电网故障期间风电场注入电流 对风电场暂态同步稳定性的影响，得出了系统稳定 运行的电流边界条件，但该判据是基于稳态下建立 的，没有考虑锁相环的动态行为对系统暂态稳定性 的影响，因此该稳定性判据是不充分的。文献[22] 指出了风电场和电力系统在弱连接情况下，PLL 会 与风电场注入电流及线路阻抗等因素相互作用从而 导致暂态同步问题，并由此提出了一种电网故障下 的电流注入策略。但该研究是基于风场聚合模型进 行的，无法反映电网故障期间场内各机组的暂态稳 定性。文献[23]采用相图法对网侧 VSC 的暂态稳定 性进行分析，提出了一种自适应 PLL 以保证暂态稳 定性和矢量角的追踪精度。文献[24]利用修正的等 面积法研究了电网故障期间 PLL 的动态特性，结果 表明 PLL 的积分调节器不利于系统的再同步，并由 此提出一种变结构 PLL 以保证系统在故障期间的 暂态同步稳定性。文献[25]的研究表明增大 PLL 阻 尼比可以提高系统的暂态稳定性，但尚未对其进行 深入的定量分析， 阻尼比的设计准则依旧是缺失的。 文献[26-28]研究了 PLL 非线性动力学对全功率机 组的暂态同步稳定性的影响，建立了严格的 PLL 非 线性模型，类比同步发电机的转动方程，基于等面 积法揭示了电网故障下机组暂态失稳的机理，结果 表明 PLL 带宽、短路比、故障持续时间对系统的暂 态稳定性有影响。其中文献[27]基于 PLL 在电网故 障下的动态行为提出一种有功电流、无功电流时序 控制策略，提高了全功率机组的频率稳定性。文献 [28]进一步研究了阻抗比、有功无功电流比、短路 点相移对全功率机组暂态同步稳定性的影响。 总的来说，针对电网故障期间 PLL 的非线性动 力学行为的机理研究已初步取得了一些成果，对注 入电流、并网阻抗这些与 PLL 耦合的因素以及 PLL 的控制参数已有了一些定量分析，但风电场内部机 组的暂态稳定性及场内各机组之间的阻抗对机组暂 态稳定性的影响研究还比较匮乏。 本文将从故障分析的角度，建立全功率风场的 并网等效电路以及场内各机组的 PLL 非线性降阶 模型，在考虑场内机组之间的相互作用的前提下着 重研究电网严重故障下场内任一单台机组的暂态稳 定性，基于等面积法思想定量分析场