太原理工大学研究生，太原理工大学研究生院
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随着具备惯量调节能力的双馈风电机组大规模接入电网，电网的功角稳定特性变得更加复杂。太原理工大学通过研究系统发生三相短路故障及负荷突增时，系统功角摆动方向不同、两区域互联系统双馈风机等效惯量控制环节比例系数不同对系统加速及减速过程中暂态能量的影响，提出双馈风机等效惯量控制比例系数对系统功角首摆稳定的影响机理。仿真结果验证了所提理论的正确性。
与传统同步机相比，双馈风机缺乏惯性响应能力，因此，大规模双馈风机接入后的电力系统遭受大扰动或小扰动时（三相短路、负荷突增等），系统惯性响应能力缺失严重，暂态功角稳定问题突显。随着双馈风机虚拟惯量控制技术不断完善，双馈风机能够为系统提供动态惯性支撑，因此，亟需开展双馈风机虚拟惯量对系统功角首摆稳定影响机理的研究。
论文方法及创新点
（1）DFIG等效惯性时间常数频域表达式
基于DFIG经典虚拟惯量控制环节的控制模型，本文推导了DFIG等效惯性时间常数频域表达式，并提出表征等效惯性时间常数变化趋势的特征参数Hvir0。
式（1）
式（2）
由式(1)-(2)可知，若风电场内DFIG基本参数相同，DFIG惯量响应过程中等效惯性时间常数在时域内具有相同的变化趋势，首先迅速达到最大值，随后开始下降，最终趋于稳定。
图1 DFIG经典虚拟惯量控制模型
（2）DFIG等效惯量控制比例系数对系统功角首摆稳定性的影响机理
假设遭受大扰动或小扰动后系统的失稳模式为两机模式，根据联络线功率传输方向将系统两侧同步机分为送端机群及受端机群，G1为送端机群（S机群），G2为受端机群（R机群），DFIG直接接入送受端机群的并网母线，两机系统模型如图2所示。
图2 两区域互联系统等效模型
从暂态能量函数的角度出发，分析两机系统发生三相短路故障及负荷突增时，系统功角摆动方向不同、两区域互联系统 DFIG 等效惯量控制比例系数不同，对系统加速及减速过程中暂态能量的影响，进而研究对系统功角首摆稳定性的影响机理系统功角正向及反向摆动时，系统加速及减速阶段系统功角首摆稳定性判别方式见表1、表2。
表1 系统功角正向摆动时功角首摆稳定性判别
表2 系统功角反向摆动时功角首摆稳定性判别
结论
本文研究送受端区域内DFIG同时附加虚拟惯量控制， 系统发生三相短路故障及负荷突增时，两区域互联系统功角首摆稳定的内在机理，分析结果表明：
1）系统发生三相短路故障时，系统功角正向摆动， DFIG 惯量响应改变系统减速期间暂态能量，若两区域互联系统 DFIG 等效惯量控制环节比例系数大于零，系统功角首摆稳定性减弱，且 DFIG 等效惯量控制环节比例系数绝对值减小有利于系统功角首摆稳定；反之，不利于系统功角首摆稳定。
2）系统负荷突增时，系统功角反向摆动，DFIG惯量响应改变系统加速及减速期间暂态能量，若两区域互联系统DFIG等效惯量控制环节比例系数大于零，系统功角首摆稳定性增强，且DFIG等效惯量控制环节比例系数绝对值增加有利于系统功角首摆稳定；反之，不利于系统功角首摆稳定。
团队介绍
电力系统运行与控制实验室由太原理工大学和国网山西省电力公司电力科学研究院共建，研究方向包括冲击负荷与新能源发电电气特性理论、含新能源发电复杂电力系统仿真、新能源电力变换与智能控制和电力系统可靠性理论与应用研究等。依托实验室建设，已形成以院士、“百人计划”特聘专家、山西省高等学校“131”领军人才、中青年拔尖创新人才有突出贡献的中青年技术专家引领的“风光发电控制与智能电网”山西省科技创新重点团队。
王科
博士研究生，研究方向为新能源并网系统建模，电力系统稳定性分析与控制。
秦文萍
教授，研究方向为电力系统可靠性/稳定性分析，新能源电力系统稳定运行与控制。
张宇
硕士研究生，研究方向为大规模风电接入电力系统的暂态稳定性分析，风电建模与仿真分析。
朱志龙
博士研究生，研究方向为新能源并网系统建模，电力系统稳定性分析与控制。
薛邵锴
硕士研究生，研究方向为基于深度学习的风电场数字孪生建模。
本文编自2023年第3期《电工技术学报》，论文标题为《双馈风机等效惯量控制比例系数对系统功角首摆稳定的影响机理分析》，本工作得到国家自然科学基金联合基金重点项目和山西省科技重大专项的支持。
引用本文
王科, 秦文萍, 张宇, 朱志龙, 薛邵锴. 双馈风机等效惯量控制比例系数对系统功角首摆稳定的影响机理分析[J]. 电工技术学报, 2023, 38(3): 741-753. Wang Ke, Qin Wenping, Zhang Yu, Zhu Zhilong, Xue Shaokai. Mechanism Analysis of Effect of Equivalent Proportional Coefficient of Inertia Control of DFIG on Stability of First Swing of Power Angle. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(3): 741-753.
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