增强电网强度的双速滑差同步风力发电机稳定性分析与设计准则

《IEEE Open Journal of Industry Applications》：Stability Analysis of Grid-Strengthening Geared Direct Grid-Connected Dual-Speed Slip-Synchronous Wind Turbines

本文针对变流器并网风电系统导致电网强度下降的问题，研究了新型滑差同步风力发电机系统（SS-WTS）在瞬态工况下的稳定性。研究人员通过评估不同传动链拓扑、滑差范围、同步电抗和惯量比，确立了确保系统在低电压穿越（LVRT）等故障下稳定运行的设计准则。该研究为提升电网强度与电能质量提供了可行的无变流器直接并网解决方案，具有重要的工程应用价值。

　　

随着全球能源转型的加速，以风电、光伏为代表的可再生能源发电占比持续攀升。然而，大量通过电力电子变流器并网的风电机组，如同一把双刃剑，在贡献清洁电力的同时，也悄然削弱着传统电力系统的“筋骨”——电网强度。这些变流器型风电机组多为电网跟随型或电网支撑型，其电流输出能力有限，在电网发生故障时只能提供1.2-2.0标幺值的短路电流，远低于传统同步发电机（SG）。更棘手的是，在弱电网区域，变流器在暂态故障下易表现为不平衡电流源，且在严重低电压穿越（LVRT）期间不得不脱网，可能引发连锁反应，甚至导致大面积停电风险。电网形成型变流器虽被用作替代方案，但其同样存在电流限制、刚性电网下易失稳、产生谐波及可靠性等问题。在此背景下，寻求一种能够像传统同步发电机一样直接并网、提供强大短路电流和支持电网电压的风电技术，成为提升电网韧性的迫切需求。

本文发表在《IEEE Open Journal of Industry Applications》上，研究团队聚焦于一种新兴的滑差同步风力发电机系统（SS-WTS）。该系统摒弃了全功率变流器，将同步发电机（SG）直接连接到电网，巧妙地利用一个滑差永磁耦合器（S-PMC）为传动链提供必要的阻尼，其作用类似于传统同步发电机的阻尼绕组。为进一步提升风能捕获效率，本研究采用了双速同步发电机（DS-SG），使其能在两个特定同步转速下运行，从而在固定电网频率下获得优于恒速风机的性能。然而，这种直接并网拓扑在严峻瞬态工况（尤其是LVRT）下的稳定性尚未被充分研究。为此，研究人员旨在通过详尽的稳定性分析，建立关键的设计准则，以确保SS-WTS在各种扰动下的可靠运行。

为开展研究，研究人员主要运用了以下几个关键技术方法：首先，建立了包含滑差永磁耦合器（S-PMC）和双速同步发电机（DS-SG）的动态dq轴数学模型，该模型能准确描述系统的瞬态特性；其次，在MATLAB/Simulink环境中构建了完整的5MW级SS-WTS仿真模型，该模型不仅包括风机、齿轮箱、S-PMC和DS-SG，还创新地将电网模拟为一个大型蒸汽轮机驱动的同步发电机，其频率和电压可根据故障和功率水平变化；此外，研究系统性地评估了S-PMC在传动链中的不同布置位置、多种齿轮箱速比（从直驱到高速型）以及关键参数（如额定滑差、同步电抗、惯量比）的影响；最后，针对多种电网和风机侧扰动（如风速阶跃、塔影效应、风剪切、频率波动、电压波动及各类LVRT故障）进行了全面的时域仿真分析。

IV. S-PMC and DS-SG Modeling

研究人员对S-PMC和DS-SG进行了精确的动态建模。S-PMC被建模为一个短路的同步发电机，其动态电压方程和转矩方程在dq轴坐标系下给出。DS-SG（本研究中以双速混合励磁同步发电机HESG为例）的模型则考虑了场绕组和永磁体共同励磁的情况。这些模型为后续的稳定性分析奠定了理论基础。

V. Dual-Speed SS-WTS and Grid Model

本章节构建了完整的SS-WTS传递函数模型，并将其与模拟为大型同步发电机的电网模型相结合。风机模型基于运动方程，电网模型则基于描述频率动态的摇摆方程，并配备了汽轮机电液调速器进行频率控制。此外，模型还集成了风机扭矩脉动、电网电压谐波等扰动，确保了仿真结果的全面性和真实性。

VI. Transient Results for Variations in S-PMC Position

分析比较了S-PMC置于齿轮箱高速侧、低速侧以及两侧均放置三种拓扑的瞬态响应。结果表明，在风速阶跃变化和三相LVRT故障下，三种拓扑对同步发电机（DS-SG）扭矩的阻尼效果和系统动态响应相似。然而，综合考虑尺寸、质量和成本，将单个S-PMC置于齿轮箱高速侧是最具工程可行性的方案，因其具有高速低扭矩特性，可显著降低永磁体用量和总成本。

VII. Dynamic Results of Variation in SS-WTS Gearbox

本章节评估了四种不同速比（从直驱到高速）的SS-WTS在多种瞬态条件下的稳定性。结果表明：

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  A. Wind Disturbances: 所有速比的SS-WTS均能稳定应对风速阶跃变化，且S-PMC表现出卓越的滤波性能，能将3P振荡（塔影和风剪切引起）衰减约6倍，有效平滑了传递至电网的电流波动。
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  B. Disturbances in Grid Frequency: 在电网频率斜坡变化和阶跃变化（依据南非等严苛电网规范）下，所有系统均保持稳定，S-PMC有效过滤了电网频率扰动对风机侧的影响。
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  C. Grid Voltage Disturbances: 系统在过/欠电压波动、单相和两相LVRT故障下均表现稳定。然而，在最严峻的三相对称LVRT（电压降至0并持续150ms）故障下，当DS-SG的同步电抗Xs较高时（如0.7 p.u.），系统会出现失步现象（见图28）。研究发现，将Xs降低至0.29 p.u.可确保系统在满载条件下稳定度过该故障，但这也凸显了系统参数对稳定性的关键影响。
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  D. SS-WTS Torque Ripple: S-PMC的低频扭矩脉动会直接传播到电网电流中。具有较大DS-SG惯量（相对于额定扭矩）的齿轮型SS-WTS能更有效地阻尼这些电流振荡。
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  E. Grid Frequency Support: 当模拟电网突然失去5%发电功率时，SS-WTS能够通过其旋转惯量提供支撑，显著提高频率最低点（Nadir Point），减缓频率下降，证明了其对弱电网的惯性支持能力。

VIII. SS-WTS Stability Criteria

IX. SS-WTS Stability Results

这是本研究的核心发现部分。文章明确指出，先前文献中关于SS-WTS稳定性的结论过于乐观，其在满载LVRT条件下可能失稳。研究通过大量仿真，确定了影响SS-WTS稳定性的四个关键参数：S-PMC的额定滑差(s)、风机与SG之间的惯量比(κ)、SG的同步电抗(Xs)以及S-PMC的牵出转矩（Pullout Torque）。稳定性严重依赖于最严峻的对称三相LVRT故障。研究定义了风机加速系数(α_c= T_t/J_t)，用以量化故障期间风机的加速趋势。通过系统参数扫描，绘制了针对永磁同步发电机（PMSG）和电励磁同步发电机（WRSG）的稳定性边界曲面（见图30、31及表4-7）。这些曲面明确给出了在不同惯量比和S-PMC额定滑差下，为确保稳定所能允许的最大同步电抗值以及所需的最小S-PMC牵出转矩（并非固定为2.0 p.u.，而是在1.4至2.2 p.u.之间变化）。例如，对于惯量比κ=10（典型齿轮传动）和κ=40（典型直驱）的SS-WTS，其允许的同步电抗随滑差变化的曲线被明确给出（见图32、33），为设计师提供了直观的指导。

研究表明，SS-WTS的稳定性并非总能保证，其高度依赖于S-PMC的额定滑差、系统的惯量比、同步发电机的同步电抗以及S-PMC的牵出转矩等关键参数的协同设计。相较于直驱型SS-WTS，齿轮传动型SS-WTS虽然惯量比较低，对同步电抗的限制更严，但其较大的发电机惯量能更有效地抑制由S-PMC扭矩脉动引起的电网电流振荡，因而在直接并网应用中可能更具优势。本研究首次为SS-WTS建立了详尽的设计准则，通过提供的稳定性边界图和数据表（图30、31及表4-7），设计师可以根据具体的风机加速系数、所选发电机类型（PMSG、WRSG或HESG）以及性能需求（如效率与稳定性权衡），快速确定关键参数的可行范围。这项工作不仅纠正了以往文献中对SS-WTS稳定性的片面认识，而且为开发能够可靠提升电网强度、无需全功率变流器的下一代风力发电技术提供了坚实的理论依据和实用的工程指导，对推动可再生能源的高比例安全并网具有重要意义。