消纳大规模新能源是国家能源战略之一。然而,以风机为主的大规模新能源采用电力电子装置接入,改变了电力系统的结构,产生了一系列安全性问题,其中新能源大规模并网引发的振荡问题近来得到广泛关注。有鉴于此,本文研究永磁直驱同步发电机(PMSG,permanent magnet direct drive synchronous generator)在弱网下的振荡特性和振荡机理。主要工作如下:(1)利用直驱风机并网系统在平衡点处的雅克比矩阵,给出了判断系统平衡点性质的方法,并分析了运行参数和控制参数的影响。首先建立直驱风机并网系统的微分动力学运动方程;然后分析系统的平衡点,通过系统在该平衡点的雅克比矩阵判断其平衡点的性质,并考虑了系统运行条件和控制参数对系统平衡点的影响,给出了参数变化下系统主要特征根的变化趋势;最后,在仿真平台中验证相应结论。(2)针对直驱风机在次同步电压扰动下输出多频率分量的现象,采用动态响应分析法和二阶近似,推导并分析了相应的输出电气量近似解的频率分布特性及其幅值大小。具体地,在次同步电压扰动下,保留二阶扰动量,逐步分析推导了锁相环、电流控制部分电气量的多频率分布及其幅值特性,得到了各频率分量幅值的近似计算公式;进一步地,分析了所提方法和传统小信号分析方法的区别和联系。通过仿真结果表明,次同步扰动下电压源换流器并网端口会出现互补的次/超同步分量,并伴有幅值较小的多频率分量产生,且其与次同步扰动频率互补的电压分量幅值与积分参数相关,与其他控制参数基本无关。(3)结合相图分析方法,揭示直驱风机次同步频段振荡的数学机理之一是与限幅相关的非光滑分叉。首先,介绍了与限幅环节有关的非线性非光滑分叉理论;其次,介绍了直驱风机并网系统的限幅环节及其和限幅相关的次同步频段振荡现象;再次,分析了不同限幅环节对次同步频段振荡特性的影响,揭示了定子直流电压限幅环节饱和是导致系统振荡的原因;进一步,分析了短路比对系统振荡特性的影响,揭示了参数变化导致的非光滑分叉现象;最后,分析了交流故障持续时间、接地电阻对振荡的影响,揭示了初值导致的非光滑分叉现象。分析表明,直驱风机并网系统在故障清除后产生的次同步频段振荡,是在足够大的故障冲击下多个限幅环节共同起作用下产生的,数学上,也对应着相应的动力学系统发生非光滑分叉。