双馈风力发电机组的机网相互作用仿真验证

为了进一步验证上述小信号模型中各个振荡模态下的振荡频率，在MATLAB/Simulink中搭建2 MW双馈风机的时域模型，通过输电线路连接至无穷大电网。采用电压波动、功率波动等小扰动方式激发振荡，使用Simulink的FFT分析工具，结合表3.8给出的相关因子，在相应的相关变量上进行观测，可以发现与上述分析对应的全部机网相互作用模态。

1.电气谐振模态

考虑到λ8，9对应的电气谐振模态主要受网侧变流器输出电抗作用，分析流经网侧变流器输出电抗的电流波形，得到其对应频谱特性如图3.14（a）所示。网侧变流器输出电流中，在基频附近含有大量的45 Hz左右的谐波成分，这与λ8，9对应的45.37 Hz的振荡频率相吻合。

2.次同步轴系相互作用模态

（1）次同步谐振

上述小信号模型分析表明，λ6，7和λ10，11对应的振荡模态与输电线路电流和串补电容的端电压有很强的作用，考虑时域模型中的输电线路电流和定子输出电流对应的谐波成分。由于输电线上的电流谐波成分较小，对定子输出电流进行频谱分析，如图3.14（b）所示。由图可见，定子输出电流除50 Hz基频成分外，还含有20 Hz和80 Hz谐波成分，这与λ10，11和λ5，6两种振荡模态分别对应的23.40 Hz和79.25 Hz的次同步谐振频率和超同步谐振频率相吻合。

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图3.14　双馈风力发电机组机网相互作用的时域仿真

（2）次同步振荡

针对λ13，14和λ17，18对应的振荡模态分析表明，齿轮箱的扭转角和转速以及发电机的转子扭转角和转速对这两种振荡模态起主导作用。因此，分析发电机和低速轴转矩，对应的转矩波形和频谱分析如图3.14（c）、图3.14（d）所示。发电机转矩和低速轴转矩均含有2.5 Hz和14 Hz附近的谐波成分，这与λ17，18和λ13，14两种振荡模态分别对应的1.92 Hz和12.41 Hz的轴系振荡频率相吻合。

3.次同步控制相互作用模态

由于网侧变频器控制对λ15，16对应的振荡模态起主导作用，其中直流电容电压调整相关变量Δx5和直流侧电容电压ΔVDC相关因子均超过0.7，故分析直流电容两端电压，对应的电压波形和频谱特性如图3.14（e）所示。变流器中的直流支撑电容两端电压除了与系统频率相关的50 Hz谐波外，还含有4 Hz左右的谐波成分，这和λ15，16对应的与次同步控制相关的4.37 Hz的振荡频率相吻合。

4.低频振荡模态

由于机械轴系对λ19，20相应的振荡模态起主导作用，分析发电机转速的频谱特性如图3.14（f）所示。发电机转速中含有显著的低频谐波成分，主要集中在0.5 Hz附近，这与λ20，21对应的0.51 Hz的低频振荡频率相吻合。此外，图中还可以看出，本次小干扰还同时在发电机转速中激发出2.5 Hz和14 Hz附近的谐波成分，这与λ17，18和λ13，14两种振荡模态分别对应的1.92 Hz和12.41 Hz的轴系振荡频率相吻合。