随着风电在电力系统中所占比例持续快速的增长,显著区别于传统同步发电机的风电动态特性正深刻地影响着电力系统的电压、频率动态行为,对电力系统的安全稳定运行构成了重大威胁。其中,在当前典型锁相同步矢量控制方式下风电不具备惯性响应能力,高渗透率的风电无疑将削弱系统惯性,严重恶化系统频率动态。然而,现有关于改善风电频率响应特性的研究中,基本处于控制策略如何实现的层面,而对风机装备在复杂控制作用下的基本物理特性和内在机理尚缺乏深入的理解和认识,对风机频率响应优化的基本途径也缺乏系统性思考。本文则在对风机装备动态特性深刻认识的基础上,系统地提出了风机频率响应优化的基本思路,并对双馈风机首次提出采用内电势的幅值-频率控制方式实现其惯性响应的优化,即虚拟同步控制策略,重点针对虚拟同步控制下双馈风机的惯性响应、一次调频以及故障穿越等基本问题进行了相关研究。具体内容包括:(1)阐述了风机并网控制的物理本质即是要实现风机装备功率正常流动或输入/输出功率平衡的问题,而维持风机装备内部储能元件运行状态的稳定是实现风机装备输入/输出功率平衡的充要条件。并基于此提出了风机基本的并网控制思想,即针对风机装备内部机械转速、直流电压以及交流电流等各储能元件的运行状态,均可以通过内电势的瞬时值控制或内电势的幅值-频率控制方式以维持各个运行状态的稳定,以实现风机输入/输出功率的平衡。对当前典型锁相同步矢量控制即内电势的瞬时值控制方式下的双馈、全功率风机,分别建立了其有功功率不平衡驱动下内电势机电时间尺度相位运动方程,深刻地理解了风机装备的机电时间尺度基本物理特性和内在机理。基于对当前典型矢量控制下风机装备动态特性的深入理解和认识,从优化电网频率扰动期间的内电势相位动态的角度出发,系统地提出了风机频率响应优化的基本思路,即对于内电势瞬时值控制方式下的风机可以通过调节功率控制角或优化锁相环动态以实现风机频率响应的优化,另外,也可改变同步机制,即直接采用内电势幅值-频率控制方式实现风机频率响应的优化。(2)针对双馈风机首次提出内电势的幅值-频率控制方式,即虚拟同步控制,实现了双馈风机优越的惯性响应特性及其对系统频率的动态支撑。建立了有功功率不平衡驱动下的内电势相位运动方程,并研究了虚拟同步控制下双馈风机的惯量特性,与典型锁相同步矢量控制附加df/dt虚拟惯量控制下的双馈风机惯量特性进行了对比。理论上讲,任何惯性控制下风机均可以化成有功功率不平衡驱动下内电势相位运动方程的形式,在机电时间尺度上动态特性均表现为“虚拟同步机”,本质上具有统一性,区别在于不同惯性控制策略下风机等效惯量、阻尼特性的大小和特征具有差异性。针对单机无穷大系统,建立了基于虚拟同步控制双馈风机小信号模型,研究了关键控制器参数、电网强度等对系统稳定性影响,并针对虚拟同步控制和典型锁相同步矢量控制方式下双馈风机接入弱电网的运行稳定性进行了对比分析,结果表明,虚拟同步控制下双馈风机具有优越的运行稳定性,而典型锁相同步矢量控制下双馈风机稳定性随电网强度减弱显著恶化。(3)从不同减载运行方式和不同调速器控制方式下失速风险的角度,深刻认识了现有几类典型的一次调频控制策略的运行机理,并归纳总结了相应的优缺点。基于此提出了虚拟同步控制下双馈风机的一次调频策略,实现了双馈风机提供惯性响应的同时也参与电网频率的一次调节作用。并基于对典型调频控制策略下风机一次调频响应特性的对比分析,提出了含调频控制策略下风机频率响应模型的构建思路,即对于具有较快的一次调频响应特性的风机,其在惯性控制下的惯性响应过程和调频控制作用下的一次调频响应过程在时间尺度上具有较大的重叠性,可统一地建立不平衡有功功率驱动下风机内电势的相位运动模型以反映其频率响应;对于具有相对较慢的一次调频动态响应特性的风机,其在惯性控制作用下惯性响应过程和调频控制作用下一次调频动态响应过程不在同一时间尺度,对于惯性响应时间尺度的动态通过建立不平衡有功功率驱动下风机内电势的相位运动模型进行描述,而对于一次调频时间尺度的动态则主要归纳为系统频率变化对输入机械功率的影响,形式上更接近与同步发电机的频率响应模型。(4)阐述了虚拟同步控制下双馈风机故障穿越面临的主要挑战,即虚拟同步控制的慢动态响应特性将致使双馈风机变换器面临故障瞬间强电磁应力问题及故障稳态期间无法实现无功功率快速动态支撑及有功功率的快速协调控制问题。提出了加快故障时虚拟同步控制下转子侧励磁电压的动态调节速度是虚拟同步控制双馈风机故障穿越的核心思路。基于建立的电网电压跌落期间双馈电机等效模型,分别研究了虚拟同步控制中虚拟电阻对双馈电机暂态响应特性的影响、附加定子自由磁链动态前馈补偿以及附加转子暂态反电势前馈补偿对双馈电机暂态响应特性的影响。针对电网电压三相对称跌落故障初步提出了基于转子反电势的动态前馈补偿的虚拟同步控制双馈风机的故障穿越策略,抑制了暂态电流冲击,加快了自由磁链的衰减,并实现了无功功率的快速动态支撑以及有功功率的协调控制。(5)搭建了双馈风机动态模拟实验平台,完成了虚拟同步控制双馈风机的柔性并网实验、功率阶跃响应实验、惯性响应实验以及故障穿越实验,验证了所提虚拟同步控制控制及故障穿越策略的有效性。