Modeling of Doubly-fed Wind Turbine with Rotor-side Converter Control and Mechanism Analysis of Subsynchronous Oscillation

Lin ZHU; Danting ZHONG; Bei WANG; Zhigang WU; Yang YI; Lu MIAO

doi:10.7500/AEPS20200831004

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Modeling of Doubly-fed Wind Turbine with Rotor-side Converter Control and Mechanism Analysis of Subsynchronous Oscillation

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Modeling of Doubly-fed Wind Turbine with Rotor-side Converter Control and Mechanism Analysis of Subsynchronous Oscillation
- Automation of Electric Power Systems Vol. 45, Issue 13, Pages: 40-48(2021)
- 作者机构：
  
  1.华南理工大学电力学院，广东省广州市 510640
  2.国网江苏省电力有限公司南通供电分公司，江苏省南通市 226000
  3.广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东省广州市 510600
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China
- DOI：10.7500/AEPS20200831004
  CLC：
- Received：31 August 2020，
  
  Revised：2021-01-26，
  
  Published Online：02 April 2021，
  
  Published：10 July 2021
- 稿件说明：
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朱林,钟丹婷,王贝等.含转子侧控制器的双馈风机建模与次同步振荡机理分析[J].电力系统自动化,2021,45(13):40-48.

ZHU Lin,ZHONG Danting,WANG Bei,et al.Modeling of Doubly-fed Wind Turbine with Rotor-side Converter Control and Mechanism Analysis of Subsynchronous Oscillation[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(13):40-48.
朱林,钟丹婷,王贝等.含转子侧控制器的双馈风机建模与次同步振荡机理分析[J].电力系统自动化,2021,45(13):40-48. DOI： 10.7500/AEPS20200831004.

ZHU Lin,ZHONG Danting,WANG Bei,et al.Modeling of Doubly-fed Wind Turbine with Rotor-side Converter Control and Mechanism Analysis of Subsynchronous Oscillation[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(13):40-48. DOI： 10.7500/AEPS20200831004.

摘要

双馈风机经串联补偿电容并网会存在引发次同步振荡的风险，因此有必要研究双馈风机转子侧控制器在次同步振荡中的作用。文中以等效电路的形式表征转子侧变流器控制环节，从系统电路性质变化的角度探讨全部控制参数的影响和作用途径，并分析了内、外控制环之间的耦合作用。首先，通过联立转子侧变流器与感应发电机电压方程，将转子侧变流器控制等价变化至电路中，获得包含转子侧和锁相环全部控制参数的等效电源与等效阻抗解析表达式，进而建立了相应的双馈风机等效模型。然后，基于所构建的等效模型，提出了存在分别影响电阻、电抗性质的直接和间接作用途径，分析了转子侧内、外环耦合交互影响，得到了转子侧控制参数的影响机理。最后，通过时域仿真和扫频法验证了所提分析机理的正确性和有效性。

Abstract

The grid connection of doubly-fed wind turbines through series compensation capacitors has the risk of causing sub-synchronous oscillations. Therefore

it is necessary to study the effects of rotor-side controllers (RSCs) of wind turbine on sub-synchronous oscillations. In this paper

the control loop of RSC is illustrated in the form of the equivalent circuit

and the influence path of all control parameters from the perspective of the changing properties of system circuit is discussed. The coupling effect between the inner and outer control loops is analyzed. Firstly

through the simultaneous establishment of RSC and induction generator voltage equations

the RSC control is equivalently transformed into the circuit. And the analytical expressions of equivalent power sources and equivalent impedance including all the control parameters of the rotor and phase-locked loop are obtained. Then the corresponding equivalent model of doubly-fed wind turbines is established. Secondly

based on the constructed equivalent model

the direct and indirect impact ways that influence the properties of resistance and reactance respectively are proposed. The coupling interaction effect of the inner and outer loop on the rotor side is analyzed

and the influence mechanism of rotor-side control parameters is obtained. Finally

the correctness and effectiveness of the proposed analysis mechanism are verified by the time-domain simulation and frequency sweeping method.

关键词

Keywords

references

KIDD D ， HASSINK P . Transmission operator perspective of sub-synchronous interaction ［C］// Proceedings of the 2012 IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition （T&D）， May 7 - 10 ， 2012 ， Orlando， USA： 1 - 3 .

李明节，于钊，许涛，等 . 新能源并网系统引发的复杂振荡问题及其对策研究［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 4 ）： 1035 - 1042 .

LI Mingjie ， YU Zhao ， XU Tao ， et al . Study of complex oscillation caused by renewable energy integration and its solution ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 4 ）： 1035 - 1042 .

IRWIN G D ， JINDAL A K ， ISAACS A L . Sub-synchronous control interactions between type 3 wind turbines and series compensated AC transmission systems ［C］// 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting ， July 24 - 28 ， 2011 ， Detroit， USA： 1 - 6 .

WANG L ， XIE X R ， JIANG Q R ， et al . Investigation of SSR in practical DFIG-based wind farms connected to a series-compensated power system ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2015 ， 30 （ 5 ）： 2772 - 2779 .

王伟胜，张冲，何国庆，等 . 大规模风电场并网系统次同步振荡研究综述［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 4 ）： 1050 - 1060 .

WANG Weisheng ， ZHANG Chong ， HE Guoqing ， et al . Overview of research on subsynchronous oscillations in large-scale wind farm integrated system ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 4 ）： 1050 - 1060 .

栗然，卢云，刘会兰，等 . 双馈风电场经串补并网引起次同步振荡机理分析［J］. 电网技术， 2013 ， 37 （ 11 ）： 3073 - 3079 .

LI Ran ， LU Yun ， LIU Huilan ， et al . Mechanism analysis on subsynchronous oscillation caused by grid-integration of doubly fed wind power generation system via series compensation ［J］. Power System Technology ， 2013 ， 37 （ 11 ）： 3073 - 3079 .

MIAO Z X . Impedance-model-based SSR analysis for type 3 wind generator and series-compensated network ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2012 ， 27 （ 4 ）： 984 - 991 .

SUN K ， YAO W ， FANG J K ， et al . Impedance modeling and stability analysis of grid-connected DFIG-based wind farm with a VSC-HVDC ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2020 ， 8 （ 2 ）： 1375 - 1390 .

李凌，卓毅鑫，崔长江，等 . 基于阻抗网络分析法的含双馈风电场桂林电网次同步振荡风险评估［J］. 电工电能新技术， 2020 ， 39 （ 5 ）： 32 - 40 .

LI Ling ， ZHUO Yixin ， CUI Changjiang ， et al . Risk assessment of sub-synchronous oscillation of Guilin power grid with doubly-fed wind farms based on impedance network analysis ［J］. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy ， 2020 ， 39 （ 5 ）： 32 - 40 .

OSTADI A ， YAZDANI A ， VARMA R K . Modeling and stability analysis of a DFIG-based wind-power generator interfaced with a series-compensated line ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2009 ， 24 （ 3 ）： 1504 - 1514 .

HUANG P H ， EL MOURSI M S ， XIAO W D ， et al . Subsynchronous resonance mitigation for series-compensated DFIG-based wind farm by using two-degree-of-freedom control strategy ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2015 ， 30 （ 3 ）： 1442 - 1454 .

赵斌 . 双馈风电场并网系统的次同步振荡特性及抑制策略研究［D］. 重庆：重庆大学， 2015 .

ZHAO Bin . Studies on characteristic and suppressing strategies of subsynchronous oscillation with DFIG-based wind farms ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2015 .

高本锋，李忍，杨大业，等 . 双馈风电机组次同步振荡阻尼特性与抑制策略［J］. 电力自动化设备， 2015 ， 35 （ 12 ）： 11 - 20 .

GAO Benfeng ， LI Ren ， YANG Daye ， et al . Damping characteristics and countermeasure of DFIG sub-synchronous oscillation ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2015 ， 35 （ 12 ）： 11 - 20 .

LIU H K ， XIE X R ， GAO X D ， et al . Stability analysis of SSR in multiple wind farms connected to series-compensated systems using impedance network model ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 33 （ 3 ）： 3118 - 3128 .

吴熙，关雅静，宁威，等 . 双馈风机转子侧变换器参数对次同步振荡的交互影响机理及其应用研究［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 8 ）： 2536 - 2544 .

WU Xi ， GUAN Yajing ， NING Wei ， et al . Mechanism of interactive effect of RSC parameters in DFIG on SSO and its application ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 8 ）： 2536 - 2544 .

张剑，肖湘宁，高本锋，等 . 双馈风力发电机的次同步控制相互作用机理与特性研究［J］. 电工技术学报， 2013 ， 28 （ 12 ）： 142 - 149 .

ZHANG Jian ， XIAO Xiangning ， GAO Benfeng ， et al . Mechanism and characteristic study on sub-synchronous control interaction of a DFIG-based wind-power generator ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2013 ， 28 （ 12 ）： 142 - 149 .

KO H S ， YOON G G ， HONG W P . Active use of DFIG-based variable-speed wind-turbine for voltage regulation at a remote location ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2007 ， 22 （ 4 ）： 1916 - 1925 .

XU L ， WANG Y . Dynamic modeling and control of DFIG-based wind turbines under unbalanced network conditions ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2007 ， 22 （ 1 ）： 314 - 323 .

YAO J ， LI H ， CHEN Z ， et al . Enhanced control of a DFIG-based wind-power generation system with series grid-side converter under unbalanced grid voltage conditions ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2013 ， 28 （ 7 ）： 3167 - 3181 .

周海强，张明山，薛禹胜，等 . 基于戴维南电路的双馈风电场动态等值方法［J］. 电力系统自动化， 2012 ， 36 （ 23 ）： 42 - 47 .

ZHOU Haiqiang ， ZHANG Mingshan ， XUE Yusheng ， et al . A dynamic equivalent method for doubly-fed induction generator wind farm based on the Thevenin equivalent circuit ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2012 ， 36 （ 23 ）： 42 - 47 .

朱林，王贝，陈达 . 基于等效功角同调的双馈风电场等值建模［J］. 南方电网技术， 2018 ， 12 （ 6 ）： 37 - 44 .

ZHU Lin ， WANG Bei ， CHEN Da . Equivalent modeling of doubly-fed wind farm based on equivalent power angle coherence ［J］. Southern Power System Technology ， 2018 ， 12 （ 6 ）： 37 - 44 .

EDRAH M ， LO K L ， ANAYA-LARA O . Reactive power control of DFIG wind turbines for power oscillation damping under a wide range of operating conditions ［J］. IET Generation ， Transmission & Distribution ， 2016 ， 10 （ 15 ）： 3777 - 3785 .

朱林，王贝，陈达，等 . 基于相似度同调的双馈风电场聚合研究［J］. 电力建设， 2018 ， 39 （ 7 ）： 89 - 96 .

ZHU Lin ， WANG Bei ， CHEN Da ， et al . Research on doubly-fed wind farm polymerization based on similar coherency ［J］. Electric Power Construction ， 2018 ， 39 （ 7 ）： 89 - 96 .

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