面对能源短缺和环境污染的双重压力,中国制定了面向2030年与2050年的能源发展战略蓝图,届时可再生能源发电占比将分别提升至30%与60%。我国电力系统正逐步向低惯性、电力电子化与弱同步的高比例可再生能源系统转型。以风电为代表的高渗透新能源并网将对传统电力系统的小干扰稳定、频率调节与同调机群辨识带来全新挑战。本文改变了传统基于详细模型的状态空间建模方法,通过建立双馈风机内电势相位运动方程,将风机模型等效为具有惯性常数、阻尼常数、同步转矩的虚拟同步运动转子,以同步机的观点分析风电系统的惯性响应、小干扰稳定与同调分群特性,具体内容分为以下三个方面:(1)详细介绍了双馈风机通用模型的微分代数方程,采用特征分析法筛选机电时间尺度及与机电模式强相关的核心状态变量,构建模式降阶估计下的风电系统线性化模型,该模型考虑了传动链、速度控制器、电流内环、锁相环与虚拟惯性控制的动态过程。基于锁相环的内同步作用机制,将上述机电动态模型等效为以内电势相位-电磁功率作为输入-输出频域关系的相位运动方程。(2)依据锁相环与转子运动方程在同步功能上的相似性,采用类比法将相位运动方程转换为具有惯性、阻尼与同步转矩的等效摇摆方程。基于等效摇摆方程辨识风机惯性的频域表达式,推导互联系统等效阻尼比,分别研究不同锁相环参数对风电机组惯性与系统小干扰稳定的影响,研究表明:减小锁相环比例积分增益将共同提升风电机组的惯性响应能力,但比例积分增益对系统阻尼特性呈现相反的作用关系。据此研究提出一种锁相环参数优化设计方案,实现风电机组惯性与系统阻尼的协同优化控制。(3)提出基于相位运动方程的含风电电力同调机群辨识方法。对传统发电机分群理论的研究表明:转子的摇摆动态描述了以功角作为同调判据的慢同调分群过程。类似的,相位运动方程的同步锁相状态量——锁相角动态,揭示了双馈电机内电势与交流系统的同调分离程度。据此采用慢同调理论,将二阶相位运动方程与同步机转子运动方程联立,建立含风电电力系统的分群模型。引入广义特征法与K均值算法求解机电模式特征向量并对相位信息进行聚类分析,辨识同调发电机组,同时研究锁相环参数变化对系统同调性的影响机制。综上所述,本文从风力发电机与同步机的内在稳定运行机理出发,将双馈风机等效为具有转子同步运动特性的摇摆方程,提出针对风力发电机与同步发电机的通用建模方法,以解决高比例风电系统面临的主要问题:惯性响应、小干扰稳定与同调机群辨识。