随着风能资源的大力开发与风力发电技术的迅速发展,风电所占电力系统比重日益增加,风电并网的动态稳定性问题引起了社会的广泛关注。国内外学者对各类风电机组接入电网后对系统的稳定性影响进行了大量的分析与研究,并采用了一系列优化控制方案来改善风电机组及电网的动态稳定性。本文以应用前景广阔的双馈感应发电机(Doubly-fed Induction Generator,DFIG)为研究机型,以Matlab/Simulink软件为实验平台,以IEEE经典系统为仿真算例,以减小DFIG接入对系统的不利影响,保障风电机组和电力系统稳定运行为研究目的,进行了相关的理论分析并提出了相应的改进控制策略。建立了 DFIG系统在给定基准值系统下的风力机空气动力学模型、两质量块轴系模型、桨距角控制系统模型、双馈感应电机模型以及双变频器控制系统模型的标幺化微分代数方程组,并通过泰勒级数展开得到用于小扰动稳定性分析的线性化状态方程。研究了单机无穷大系统(One Machine Infinite Bus,OMIB)中DFIG全风况运行下的小扰动稳定性及其阻尼特性,得到一些有意义的结论:系统在额定风速以下受到扰动时,DFIG轴系会产生一个阻尼较弱的振荡模态,系统在额定风速以上受到扰动时,DFIG桨距角控制系统也会产生一个阻尼较弱的振荡模态;这两种振荡模态都与机械系统动态相关,振荡频率很低,而与定转子磁链变化相关的振荡模态频率较高,且具有良好的阻尼特性;控制DFIG作为PV或PQ节点接入电网时,引入的振荡模态和阻尼特性几乎相同。以小扰动稳定性研究为基础,分析了闭环系统下DFIG电磁转矩对轴系阻尼的作用。考虑到DFIG机械部分与电气部分的耦合作用,电网故障下DFIG轴系不可避免会受到一定的冲击。为减弱外部扰动下的轴系振荡强度,延长机械部件的使用寿命并提高系统的动态稳定性,本文设计了基于转子侧变频器控制系统的稳定控制模块(Power system stabilizer,PSS),通过对DFIG输出的电磁功率进行快速控制,使其注入与转速同方向变化的阻尼功率来削弱轴系振荡。文中给出了 PSS设计参数的详细求解方法,通过特征值分析和时域仿真验证,DFIG轴系阻尼能得到有效改善。风电出力不能像传统的火电、水电那样保持恒定,考虑到风能的强随机波动性,风速信号中可能存在着不同频率的持续周期性小扰动。这种持续周期性小扰动会使风电系统产生强迫功率振荡,当扰动频率接近系统固有频率时,系统会产生振荡幅度更大的功率谐振。为了研究风速扰动与风电机组强迫功率振荡的内在联系,论文在OMIB系统下提出了一种DFIG强迫功率振荡的频域分析法。以系统线性化微分代数方程为基础,构建了风速和DFIG输出功率间的目标传递函数,由传递函数所得的幅频特性曲线能直观的表现出DFIG输出功率振荡幅值和风速扰动幅值比与扰动频率之间的关系。系统特征值中的振荡模态反映出可能存在的谐振频率,振荡模态的阻尼比体现出该频率点的谐振强度。在Simulink中进行仿真实验,结果验证了该分析方法的正确性和适用性,也为如何采取有利措施以减弱系统强迫功率振荡提供了一种思路。同样,风速的持续周期性小扰动也可能引起电力系统中其他同步发电机的强迫功率振荡。在含DFIG的电力系统中,通过不同坐标系间的转换关系,论文给出了 DFIG、同步发电机以及负荷的机网接口方程处理方法,最终得到完整的系统特征方程,建立了以风速扰动为输入量,各发电机功率变化为输出量的目标传递函数,扩展了强迫功率振荡分析法的应用范围。以IEEE三机九节点电力系统为仿真算例,得到了同步发电机组可能发生大幅度功率谐振的扰动频率点和谐振强度以及产生这种谐振的诱因,给出了安装电力系统稳定器、优化DFIG桨距控制系统参数等有利措施以减弱系统的强迫功率振荡。对于大规模风电并网,当风速在短时间范围内波动较大时,风电出力的快速变化会对电网稳定性产生不利影响。结合DFIG的转速控制与变桨距控制,文中提出了一种基于约束因子限幅控制的有功功率平滑控制策略,能一定程度上实现对DFIG输出功率的削峰填谷,使注入到电网的风电功率更加平滑,有利于减少系统中与风电配套使用的备用容量。在IEEE三机九节点电力系统中应用所提平滑控制策略,系统总体负荷静态特性曲线平移区间缩小,通过设定不同的功率限幅值,并与传统最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制策略对比,同步发电机转速波动范围变小,系统频率能得到不同程度的改善。