电网短路故障引发的全功率风电机组频率失稳机理与控制方法
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风力发电研究中心（上海交通大学电子信息与电气工程学院）的研究人员韩刚、张琛等，在2018年第10期《电工技术学报》上撰文指出，电网故障期间全功率风电机组由于持续的电流控制作用存在与电网频率异步、失稳的风险。
为分析频率失稳机理，建立全功率风电机组并网系统的非线性降阶模型。由于该模型具有与同步机暂态稳定模型相似的结构特征，因此自然引入了“类机械转矩”和“类同步转矩”等概念，并利用等面积法揭示由暂态“转矩”不平衡所导致的全功率机组频率失稳这一内在机制。定量分析锁相环带宽、风机端口到故障点电气距离等因素对频率稳定裕度的影响，得出锁相环带宽越小，风机端口到故障点电气距离越近，越利于频率稳定等研究结论。
提出一种有功、无功电流时序控制方法，在确保全功率机组频率稳定的同时，可以向电网提供无功电流支撑以满足并网导则要求。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上验证了分析结论的正确性与控制方法的有效性。
随着我国风电的大规模集中开发与利用，风电在区域电网中占比较高。早在2011年甘肃酒泉地区发生的大规模风机脱网事件之后[1]，近期在新疆地区又出现了由直驱型风场与电网相互作用引发的次同步振荡问题[2]，可见，风电的电源稳定问题在高渗透率下尤为突出，亟待解决。
对风电并网暂态问题的探究，最早是针对定速风电机组，由于该机型不采用变流技术，因此其暂态稳定机理十分明确，主要取决于感应发电机的机电特性[3,4]，以及风机轴系动态对其机电特性的影响[5]。对于变速风电机组（如双馈和全功率风电机组）而言，暂态问题由于变流器的控制作用而变得十分复杂。
首先是电网暂态会对风电机组的连续运行产生较大影响，如双馈机组在电网暂态过渡阶段通常需要闭锁变流器控制[6]，这种情况下，其暂态稳定性本质上仍是感应电机的机电稳定。随着并网导则[7]对风电机组暂态可控性要求的不断提高，双馈机组通过改进控制策略[8]和在定子回路串联阻 抗[9]等方法基本可以实现不间断运行。
另一方面，全功率风电机组（Full-Scale Wind Turbines, FSWT）由于变流器的隔离作用，风力发电机不受电网暂态直接影响，因此全功率机组在电网暂态（电磁暂态）过渡期间具有很强的连续运行能力，其暂态失控的风险主要源于变流器直流母线过电压而非交流侧过电流，而该问题可以通过附加无源电阻[10]或超级电容[11]等硬件装置，或是将直流母线过剩能量转移到风电机组惯量上[12]等控制手段得到有效解决。
以上关于变速机组暂态问题的研究，主要关注的是电网暂态过渡阶段，风电机组的连续、不间断控制问题；而对过渡过程结束之后，风电机组能否继续稳定运行等问题的研究较为匮乏。
对全功率机组而言，电网暂态过渡过程之后的稳定性，主要取决于网侧变流器控制系统与电网的暂态相互作用[13]。目前，在并网变流器与电网的小干扰交互稳定研究方面已有一些成果值得借鉴。
文献[14]研究了并网变流器与电网间的“机-网”电气振荡机理，指出弱网下变流器电流控制环与锁相环（Phase-Locked Loop, PLL）存在动态耦合致使振荡产生。文献[15]建立了含锁相环动态的并网变流器“输入-输出”阻抗模型，从频域奈奎斯特稳定判据的角度指出，弱电网下该并网变流器存在低频振荡问题，并且主要是受锁相环作用的影响。
文献[16]研究了多变流器间锁相环的相互干扰问题。文献[17-19]分别从并网变流器序阻抗模型频率耦合和dq阻抗模型负电阻特性两个角度强调了锁相环对并网变流器小干扰稳定性的影响。考虑到锁相环结构具有很强的非线性，所以上述小干扰稳定分析结论并不适用于暂态或大扰动的情况。
本文对全功率机组在电网短路故障下的稳定性问题展开研究。首先确立研究系统模型，包括全功率机组、箱变、升压变以及并网线路；根据多时间尺度模型简化原理，推导出适用于机理分析的全功率机组并网系统的非线性降阶模型。利用等面积法揭示了电网故障引发的全功率机组频率失稳机理，并对影响频率稳定性的关键参数（故障点电气距离、阻抗比以及无功电流等）进行数值分析。
基于该分析结论，提出一种有功、无功电流时序控制方法。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上验证了分析结论的正确性与控制方法的有效性。
图1 风场单机等效模型与并网控制系统结构
结论
本文对并网点短路故障引发的全功率机组频率失稳问题进行研究，揭示了全功率机组频率失稳机理，并提出了稳定控制方法。主要结论有：
1）全功率风电机组频率失稳问题本质上是分析由锁相环-电网-变流器所构成的非线性系统的稳定性，其中，电网和网侧变流器输出以非线性的形式反馈到锁相环输入端，致使锁相环在大扰动下失稳。
2）故障点距离全功率机组端口的电气距离越远，频率稳定裕度越低。通过降低锁相环带宽可以大幅提高频率稳定裕度。故障期间减小有功电流可以有效降低失稳风险，而无功电流对频率稳定的影响主要取决于并网线路的电阻，电阻越大，注入感性无功电流对稳定裕度的提高越明显。
3）提出了全功率变换风电机组的稳定控制策略，并强调故障期间对有功和无功电流的控制必须严格遵循一定的时序才能有效稳定系统，而时序的设计以锁相环带宽及其响应时间为依据。
此外，通过本文研究可知，风电机组提供持续的短路电流不利于其自身的稳定，短路电流越大，需要电网故障切除的时间越小，这些研究结论可为风场并网线路的继电保护整定提供一定理论依据。
需要指出的是，本文分析结论是基于全功率机组并网系统的降阶模型，因此并未计及变流器的非理想电流源特性对频率稳定性的影响，如变流器电流环与锁相环的动态不再解耦，以及故障期间变流器直流母线电压控制环对类机械转矩的调控作用等，这些问题对全功率机组频率稳定性的影响值得后续深入研究。