系统仿真学报 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (6): 1734-1748.doi: 10.16182/j.issn1004731x.joss.25-0611
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文立斌1,3, 唐绍普2, 胡宪法2, 奚锦基1,3, 张童童2, 胡弘1,3, 张伟杰2
收稿日期:2025-06-27
修回日期:2025-09-29
出版日期:2026-06-25
发布日期:2026-06-25
通讯作者:
唐绍普
第一作者简介:文立斌(1971-),男,壮族,正高级工程师,硕士,研究方向为网源协调控制、电力系统建模仿真。
基金资助:Wen Libin1,3, Tang Shaopu2, Hu Xianfa2, Xi Jinji1,3, Zhang Tongtong2, Hu Hong1,3, Zhang Weijie2
Received:2025-06-27
Revised:2025-09-29
Online:2026-06-25
Published:2026-06-25
Contact:
Tang Shaopu
摘要:
以直驱风机并网系统为例,构建了包含原动机控制、机侧与网侧变流器控制、多重限幅及控制切换等非线性环节的综合模型,提出一种基于密度聚类算法并结合人工鉴别的非线性振荡形态筛选方法。结果表明:该方法能高效识别近似等幅振荡、倍周期振荡和混沌振荡等多种典型形态;由控制切换、限幅碰撞及限幅饱和等非线性因素主导的振荡,其本质是相关环节由被动响应转变为振荡的主动驱动源,通过非光滑或非对称特性向系统注入能量;倍周期振荡与桨距角变化率限幅的非对称性及多重限幅耦合密切相关。
中图分类号:
文立斌,唐绍普,胡宪法等 . 直驱风机并网非线性振荡形态挖掘与机理剖析[J]. 系统仿真学报, 2026, 38(6): 1734-1748.
Wen Libin,Tang Shaopu,Hu Xianfa,et al . Pattern Identification and Mechanism Analysis of Nonlinear Oscillations in Grid-connected Direct-drive Wind Turbines[J]. Journal of System Simulation, 2026, 38(6): 1734-1748.
表1
具备PI控制相同控制结构各环节及其参量
| 环节 | 输入 | 参数 | 限值 | 输出 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 机侧有功控制 | xin,0 | PG | kp_P | Id,T_min | Id,T_ord |
| xin,1 | Pref | ki_P | Id,T_max | ||
| 机侧电压控制 | xin,0 | Vref_T | kp_Vm | Iq,T_min | Iq,T_ord |
| xin,1 | Vrms_T | ki_Vm | Iq,T_max | ||
| 机侧d轴电流控制 | xin,0 | Id,T_ord | kp,TI_d | Vd,TI_min | Vd,TI |
| xin,1 | Id,T | ki,TI_d | Vd,TI_max | ||
| 机侧q轴电流控制 | xin,0 | Iq,T_ord | kp,TI_q | Vq,TI_min | Vq,TI |
| xin,1 | Iq,T | ki,TI_q | Vq,TI_max | ||
| 网侧DVC | xin,0 | Edc | kp_DVC | Id,G_min | Id,G_ord |
| xin,1 | Edc_ref | ki_DVC | Id,G_max | ||
| 网侧端电压控制 | xin,0 | Vt_rms | kp_AVC | Qmin | -Qref |
| xin,1 | Vt_ref | ki_AVC | Qmax | ||
| 网侧无功控制 | xin,0 | Qref | kp_Q | Iq,G_min | Iq,G_ord |
| xin,1 | QG | ki_Q | Iq,G_max | ||
| 网侧d轴ACC | xin,0 | Id,G_ord | kp,GI_d | Vd,GI_min | Vd,GI |
| xin,1 | Id,G | ki,GI_d | Vd,GI_max | ||
| 网侧q轴ACC | xin,0 | Iq,G_ord | kp,GI_q | Vq,GI_min | Vq,GI |
| xin,1 | Iq,G | ki,GI_q | Vq,GI_max | ||
表3
直驱风机并网系统原模型参量及参数值
| 参量 | 数值 |
|---|---|
| 单机容量Sbase/MVA | 2 |
| 直流电压Vdc/kV | 1.45 |
| 额定运行频率freq/Hz | 60 |
| 直流电容C/µF | 15 000 |
| 最大电流值Imax | 1.1 p.u. |
| 网侧PLL中PI比例系数kp_pll | 50 |
| 网侧DVC中PI比例系数kp_DVC | 1.0 |
| 网侧AVC中PI比例系数kp_AVC | 0.75 |
| 网侧无功环控制比例系数kp_Q | 1.0 |
| 网侧ACC中d/q轴PI比例系数kp_I | 0.5 |
| 网侧ACC的q轴指令值Iq,G_lim限幅值 | ±1.1 |
| 机侧ACC的q轴指令值Iq,T_lim限幅值 | ±1.1 |
| 无功控制指令Qlim限幅值 | ±0.6 |
| 网侧ACC中PI输出限幅 | ±0.7 |
| 桨距角增长变化率限值/((˚)/s) | 15 |
| 并网点电压Vt/kV | 0.69 |
| 额定风速vnom/(m/s) | 12 |
| 机侧额定运行频率freq_PM/Hz | 30 |
| 并网电感Lf /mH | 0.335 |
| 穿越控制电压偏差阈值ΔU | ±0.1 p.u. |
| 网侧PLL中PI积分系数ki_pll | 100 |
| 网侧DVC中PI积分时间常数Ti_DVC | 0.02 |
| 网侧AVC中PI积分时间常数Ti_AVC | 0.1 |
| 网侧无功环控制积分时间常数Ti_Q | 0.02 |
| 网侧ACC中d/q轴PI积分时间常数Ti_I | 0.05 |
| 网侧ACC的d轴指令值Id,G_lim限幅值 | |
| 机侧ACC的d轴指令值Id,T_lim限幅值 | |
| 网侧PLL输出频率上限fG,max/Hz | 72 |
| 网侧PLL输出频率上限fG,min/Hz | 48 |
| 机侧PLL输出频率上限fT,max/Hz | 36 |
| 机侧PLL输出频率上限fT,min/Hz | 24 |
| 桨距角可调范围/(˚) | 0~28 |
| 网侧ACC中PI输出限幅 | ±0.8 |
| 桨距角减小变化率限值/((˚)/s) | 5 |
表4
非线性振荡形态-作用环节-机理总结
| 参数变化 | 主导/强参与环节 | 非线性参与类型 | 功率振荡 现象 | 振荡机理 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 网侧无功控制的PI积分时间常数Ti_Q减小 | 穿越控制 | 控制切换 | 近似等幅振荡 | 近似等幅振荡 | 周期性穿越控制反复投退 |
| 网侧PLL带宽增加 | PLL限幅 | 限幅碰撞 | 近似等幅振荡 | 近似等幅振荡 | PLL输出频率周期性限幅碰撞 |
| 网侧ACC的PI中的积分时间常数Ti_I减小 | 网侧ACC的d轴限幅、机侧PLL限幅 | 限幅碰撞 限幅饱和 | 近似等幅振荡后崩溃 | 振荡后达2π | 周期性限幅碰撞致近似等幅振荡,限幅饱和致系统崩溃 |
| 并网电感Lf增大至一定范围 | 机侧ACC的d轴限幅、穿越控制 | 限幅碰撞 控制切换 | I型倍周期振荡 | 倍周期振荡 | 系统等效阻尼降低,多非线性因素作用 |
| 直流电压环PI积分时间常数Ti_D减小 | 桨距角变化速率 | 限幅饱和 | II型倍周期振荡 | 倍周期振荡 | 机侧注入的非对称限幅特性引起的强迫振荡 |
| 并网电感Lf增大,如本文提及的0.9 mH | 穿越控制、机侧d轴ACC限幅 | 控制切换 限幅饱和 | 混沌振荡 | 混沌振荡 | 系统等效阻尼严重降低,进入临界状态 |
| 进一步增大并网电感Lf | 输入PWM参考电压幅值限幅、穿越控制 | 限幅饱和 控制切换 | 振荡发散或崩溃 | 振荡后达到2π 或快速达到2π | 系统等效阻尼极度削弱,进入不稳定状态 |
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