基于电网形成电流源变流器的全尺度风电系统建模、稳定性分析与故障穿越性能研究

《IEEE Open Journal of Power Electronics》：Grid-Forming Current-Source Converter for a Full-Scale Wind Energy Conversion System

本文针对弱电网条件下风电并网系统的稳定性与故障穿越问题，研究了基于电网形成（GFM）控制的背靠背电流源变流器（CSC）在全尺度永磁同步发电机（PMSG）风能转换系统中的应用。研究人员开发了详细的小信号状态空间模型和直流侧阻抗模型，提出了系统化的控制器设计方法，并通过非线性时域仿真验证了所提GFM CSC系统在弱电网、电网扰动及故障条件下相较于GFM电压源变流器（VSC）系统具有更优越的稳定性和鲁棒性。该研究为提升高比例新能源接入下电网的稳定性提供了新的技术路径。

　　

随着全球能源转型的加速，风能作为增长最快的可再生能源之一，其装机容量预计到2030年将接近3000吉瓦。然而，风能的间歇性特点给电网的稳定运行带来了严峻挑战。为了实现对风能的有效调控，电力电子变流器成为连接风力发电机与电网的关键接口。在众多风电系统拓扑中，全尺度变流器因其能够实现全风速范围内的变速运行并具备优异的故障穿越能力而备受青睐。目前，电压源变流器（VSC）在风电并网领域占据主导地位，但其在弱电网条件下的动态稳定性问题，以及故障期间依赖复杂的保护策略来实现低电压穿越，仍是亟待解决的难题。相比之下，电流源变流器（CSC）因其直流侧采用电感而非VSC中寿命受限的电解电容，具有更高的可靠性，并且在故障电流条件下表现出固有的鲁棒性。近年来，无需锁相环（PLL）的电网形成（GFM）控制技术因其能改善弱电网条件下的稳定性而成为研究热点，但现有研究主要集中在GFM VSC系统，对GFM CSC在风电系统中的应用探索尚属空白。

为此，发表在《IEEE Open Journal of Power Electronics》上的这项研究，首次深入探讨了基于背靠背CSC和GFM控制的全尺度永磁同步发电机（PMSG）风能转换系统的动态性能。研究团队来自西华盛顿大学、阿尔伯塔大学、曼苏拉大学和哈利法大学。该研究旨在填补GFM CSC在风电领域的研究空白，并通过与GFM VSC的对比，凸显CSC在故障条件下的固有优势。

研究人员为开展此项研究，主要采用了以下几个关键技术方法：首先，建立了包含两质量块传动链模型的PMSG风力机以及背靠背CSC功率电路的完整非线性模型。其次，对电网侧CSC采用了GFM控制策略，包括基于有功功率控制的同步机制、直流电流平方控制、交流电压与无功功率控制；对发电机侧CSC则采用传统的矢量控制，以实现最大功率点跟踪（MPPT）和功率调度。第三，开发了包含22个状态变量的全阶小信号状态空间模型，用于系统稳定性分析和控制器参数设计。第四，基于阻抗分析方法，推导了电网侧和发电机侧CSC的等效直流侧阻抗模型，并应用奈奎斯特稳定判据评估直流链路稳定性。最后，通过详细的Matlab/Simulink开关模型时域仿真，验证了小信号模型的准确性，并评估了系统在各种工况下的性能。

研究结果主要体现在以下几个方面：

系统稳定性分析

通过建立的小信号状态空间模型，分析了系统在短路比（SCR）从4.0降至1.0（即电网从强到弱）时的特征根轨迹。结果表明，随着电网变弱，系统的主导模态向虚轴移动，阻尼减小，但所有模态均保持在左半平面，证明了GFM CSC系统在弱电网和极弱电网条件下的稳定性。同时，通过对比电网侧阻抗ΔZ_gfm(s)和发电机侧阻抗ΔZ_wind(s)的伯德图，验证了在整个频率范围内均满足|ΔZ_wind(s)| < |ΔZ_gfm(s)|的阻抗匹配稳定准则，确保了直流链路的稳定性。

控制器系统化设计

研究提出了一种基于小信号模型的控制器参数系统化设计方法。通过对有功功率控制环、公共连接点（PCC）电压控制环、无功功率控制环、直流电流控制环、PMSG定子电流控制环和转速控制环的闭环传递函数进行分析，确定了各控制器的带宽和参数。例如，有功功率控制器的带宽设置为约23 rad/s，直流电流控制器带宽设置为有功带宽的20%，PMSG电流控制器时间常数设为1.0 ms。研究特别指出，PMSG电流控制中的前馈增益K_i对于增强系统稳定性和扰动抑制能力至关重要，其失活会导致系统失稳。

模型验证

开发的小信号状态空间模型和阻抗模型通过非线性时域仿真得到了有效验证。通过施加小扰动（如直流电流参考值阶跃变化），对比了时域响应波形与基于特征值分析预测的振荡频率和衰减包络线，结果显示高度吻合，证明了所建立分析模型的准确性。

多种工况下的性能评估

时域仿真结果表明，所提出的GFM CSC风电系统具有以下优异性能：1） 能够在最大功率点跟踪（MPPT）模式和具有功率储备的离MPPT模式之间灵活运行，适应电网调度需求。2） 在弱电网（SCR低至1.0）条件下保持稳定运行。3） 能够承受电网电压跌落、频率偏差、相角跳变等扰动，并维持稳定。4） 在单相接地和三相接地等电网故障条件下，表现出卓越的故障穿越能力。直流电流和并网电流均能快速恢复稳定，无需额外的低电压穿越控制策略。

与GFM VSC的故障性能对比

研究的一个关键贡献在于将所提GFM CSC系统与具有相似功率等级和控制带宽的GFM VSC系统在相同故障条件下进行了对比。仿真结果显示，在单相接地故障时，GFM VSC的直流电压出现深度跌落且恢复缓慢；在三相接地故障时，GFM VSC系统甚至失稳。而GFM CSC系统在两种故障下均能稳定运行。这凸显了CSC作为电流源在故障期间的固有鲁棒性，其直接调制直流电流产生交流电流的特性，使其天然具备限制故障电流和实现稳定故障穿越的能力，而VSC则因其电压源特性在此方面面临挑战。

综上所述，本研究首次系统地提出了基于GFM控制的背靠背CSC全尺度风电系统，并进行了深入的建模、分析和验证。研究结论表明，GFM CSC风电系统不仅能够在弱电网和扰动条件下稳定运行，更重要的是，其固有的电流源特性使其在应对电网故障时，无需复杂的附加保护电路或控制策略，即可实现鲁棒的故障穿越，这在提升未来高比例可再生能源电网的韧性和可靠性方面具有重要的理论和实践意义。与GFM VSC相比，GFM CSC提供了一种更具内在安全性和可靠性的风电并网解决方案。该研究为电流源变流技术在可再生能源领域的进一步应用和推广奠定了坚实的理论基础。