中文题目：基于阻抗建模的永磁同步风机机电耦合振荡稳定性与谐波分析

论文题目：Oscillatory Stability and Harmonics Analysis of Electro-mechanical Coupling in PMSG-WTs via Impedance Modeling

录用期刊：Renewable Energy (中科院大类1区TOP期刊)

原文DOI：10.1016/j.renene.2025.122845

见刊时间：2025.03.15

作者列表：

1）刘   斌 中国天天色天天（北京）人工智能学院 自动化系教师 

2）刘晓萌 中国天天色天天（北京）人工智能学院 控制科学与工程专业 硕24 

3）檀朝东 中国天天色天天（北京）人工智能学院 自动化系教师

4）高小永 中国天天色天天（北京）人工智能学院 自动化系教师

5）李  震 北京理工大学 自动化学院教师

6）Samson S.Yu   迪肯大学 工程学院教师

7）Abdelali El Aroudi 罗维拉-威尔吉利大学 电气、电子和自动控制工程系教师

8）梁   军  卡迪夫大学 工程学院教师

文章简介:

普遍认为，直驱风机并网系统的动态特性主要由电气子系统控制。随着风机输出容量的大幅增加，叶片尺寸增长，轴系所承受压力急剧增长，自然而然地引发了在直驱风机小信号建模中将机械轴系统忽略是否合理的问题。为此，本文探讨了考虑机械子系统对电磁振荡问题研究的意义，为直驱风机的电磁振荡问题提供了更为准确的稳定性分析工具。 

摘要:

永磁同步直驱风机的输出动态特性会对系统阻尼产生重大影响，进而影响其稳定性。传统观点认为，风机的并网特性仅由电气子系统决定。然而，随着风机输出功率的不断增大，转子轴系的强度大大提高，但在研究直驱风机并网系统的电磁振荡问题时，很少有研究探讨机电耦合效应的重要性。本章考虑机械轴系统和电气子系统以及它们之间的耦合关系，建立了abc坐标系下的直驱风机小信号输出阻抗模型，并通过 MATLAB/Simulink仿真模型频率扫描进行了验证。然后研究了机电耦合效应对输出阻抗特性的影响，建立机械和电气子系统之间的明确谐波传递关系，明确机械和电气子系统之间的相互作用机制，揭示机械子系统对电磁振荡稳定性的影响。最后，采用振荡案例的稳定性分析仿真，验证机电耦联效应对系统稳定性的影响。

背景与动机:

随着我国新能源发电占比逐渐升高，电网结构愈加复杂，大型风电场并网系统的振荡事件已成为威胁电力系统安全的重要因素。2015年我国新疆哈密地区风电基地发生大规模次/超同步振荡事件，引发大规模风电机组脱网并触发火电机组轴系扭振，造成重大损失。并网风电场中的振荡问题可分为轴系扭振和电磁振荡，两者之间通过轴系机械系统相互传递。本文探究机械子系统与电气子系统之间的耦合交互机制对于电磁振荡的影响，对于风电大规模安全稳定送出具有重要意义。

设计与实现:

本文考虑了机械轴子系统和电气子系统的耦合效应，构建了直驱风机在abc旋转坐标系中的小信号输出阻抗模型，其中机械子系统由双质量-弹簧模型来表示。通过在 MATLAB/Simulink 中进行扫频验证所提出的解析模型。进一步在机械和电气子系统之间建立明确的谐波传递关系，研究了机电耦合对输出阻抗特性的影响，以确定机械子系统对电磁振荡稳定性的影响。

主要内容:

构建如图1所示包括机械和电气子系统的直驱风机并网系统的序阻抗模型： 

 

图1 直驱风机并网系统结构

通过 MATLAB/Simulink 中的扫频测量结果验证了阻抗解析模型：

图2 直驱风机的等效阻抗模型验证

建立了机械和电气子系统之间的谐波传递关系，揭示了机械和电气子系统之间的相互作用，指明了机械子系统中的速度扰动和电气子系统的谐波转递关系：

 

图3 直驱风机中谐波的传递关系

分析了转子转动惯量和轴系阻尼系数对系统阻抗特性的影响：

 

图4 转子转动惯量（左）和轴系阻尼系数（右）影响分析 

针对机电耦合效应对系统稳定性的影响进行了稳定性分析：

 

图5系统阻抗Bode图（左）系统稳定性分析的Nyquist图（右）

通过向直驱风机并网系统注入小扰动（短路比从3切换到2）以验证系统在小扰动下的稳定性，时域仿真结果与理论分析结果一致。

 

图6 系统振荡时域波形 

 

图7系统振荡频域频谱 

结论:

本文提出了一种考虑机电耦合效应的直驱风机阻抗模型，旨在强调将机械子系统纳入电磁振荡问题研究的重要性，描述了直驱风机机械和电气子系统之间的谐波传递关系，说明了机电耦合效应对输出阻抗特性的影响。具体表现为电气子系统中电流和电压谐波的存在会引起发电机的电磁转矩扰动，反过来又会导致转子轴系统中旋转角速度和电气角位置扰动，其次机电耦合效应的强度会受到转子惯量和阻尼系数大小的影响。结果表明，所提出考虑了机电耦合效应的直驱风机阻抗模型可为直驱风机的电磁振荡问题提供更准确的稳定性分析工具。

关于作者:

刘斌，特任岗位副教授。IEEE电路与系统学会技术委员会成员，中国电工技术学会、中国电源学会高级会员。2014年于山东大学数学学院获学士学位，2021年于北京理工大学自动化学院获博士学位，2021年至2023年于清华大学电机系进行博士后研究工作。主要从事新能源并网系统稳定性、油气与新能源融合领域的研究，发表SCI/EI收录学术论文40余篇，授权发明专利4项，参编专著2部。主持省部级纵向课题1项，作为主研人参与国家重点研发计划4项、国家自然科学基金项目3项、省部级以上纵向/横向项目20余项。曾获北京理工大学校优秀博士学位论文1项、国际会议优秀论文奖2项。

联系方式：liubin6410@126.com