Control Parameter Design and Stability Verification Based on Typical Control Strategies of Wind Generators

Ying ZHU; Yahui GUO; Zhicong WANG

doi:10.7500/AEPS20201022004

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Control Parameter Design and Stability Verification Based on Typical Control Strategies of Wind Generators

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Control Parameter Design and Stability Verification Based on Typical Control Strategies of Wind Generators
- Automation of Electric Power Systems Vol. 45, Issue 17, Pages: 51-60(2021)
- 作者机构：
  
  河海大学能源与电气学院，江苏省南京市 211100
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China-State Grid Joint Fund for Smart Grid(U1966205);Fundamental Research Funds for the Central Universities(B210202067)
- DOI：10.7500/AEPS20201022004
  CLC：
- Received：22 October 2020，
  
  Revised：2021-04-19，
  
  Published Online：13 July 2021，
  
  Published：10 September 2021
- 稿件说明：
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朱瑛,郭雅慧,王志聪.基于风力发电机典型控制策略的控制参数设计及稳定性验证[J].电力系统自动化,2021,45(17):51-60.

ZHU Ying,GUO Yahui,WANG Zhicong.Control Parameter Design and Stability Verification Based on Typical Control Strategies of Wind Generators[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(17):51-60.
朱瑛,郭雅慧,王志聪.基于风力发电机典型控制策略的控制参数设计及稳定性验证[J].电力系统自动化,2021,45(17):51-60. DOI： 10.7500/AEPS20201022004.

ZHU Ying,GUO Yahui,WANG Zhicong.Control Parameter Design and Stability Verification Based on Typical Control Strategies of Wind Generators[J].Automation of Electric Power Systems,2021,45(17):51-60. DOI： 10.7500/AEPS20201022004.

摘要

由风速变化引起的功率波动会对电力系统的稳定性以及风电系统变流器的可靠性等产生负面影响。文中基于风力发电机2种典型的功率平滑控制策略，即改进最大功率点跟踪控制和功率反馈控制，分别建立了从风速到输出功率、电磁转矩和转速的传递函数。然后，分析了风力机的稳定运行条件，合理设计了风力机稳定运行下变流器的控制器优化参数。此外，通过绘制系统的根轨迹以及分析随机风速下系统的Nyquist曲线和Bode图来进一步验证参数设计方法的合理性和可行性。最后，基于MATLAB/Simulink建立了永磁直驱风力发电系统仿真模型，检验所提出的控制器设计参数的效果。通过验证可知，优化设计下的参数能最大程度地跟踪功率、减小功率波动，同时保证风力机转速的稳定性。

Abstract

Power fluctuations caused by the changes of wind speed could have negative impacts on the stability of power systems and the reliability of converters in wind power systems. In this paper

based on two typical power smoothing control strategies of wind generators

namely the improved maximum power point tracking (MPPT) control and the power feedback control

the transfer functions from the wind speed to the output power

the electromagnetic torque and the rotating speed are established

respectively. Then

the stable operation conditions of wind turbines are analyzed

and the optimal controller parameters of the converter for the stable operation of the wind turbine are reasonably designed. In addition

the rationality and feasibility of the parameter design method are further verified by plotting the root locus of the system and analyzing the Nyquist curves and Bode plots of the system with random wind speeds. Finally

based on MATLAB/Simulink

a simulation model of permanent magnet direct-drive wind generation system is established to test the effect of design parameters of the proposed controller. The verification shows that the parameters with the optimal design can track the power to the maximum extent and reduce the power fluctuation

while ensuring the stability of the rotating speed for wind turbines.

关键词

Keywords

references

Global energy review 2020 ： the impacts of the Covid-19 crisis on global energy demand and CO 2 emissions ［EB/OL］. ［ 2020-04-02 ］. https：//www.iea.org/reports/global-energy-review-2020 https://www.iea.org/reports/global-energy-review-2020 .

陈国平，董昱，梁志峰 . 能源转型中的中国特色新能源高质量发展分析与思考［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 17 ）： 5493 - 5506 .

CHEN Guoping ， DONG Yu ， LIANG Zhifeng . Analysis and reflection on high-quality development of new energy with Chinese characteristics in energy transition ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 17 ）： 5493 - 5506 .

HE Q ， ZHANG F W ， LIU D N ， et al . Analysis on the development status and problems of China’s offshore wind power ［C］// 2018 2nd IEEE Conference on Energy Internet and Energy System Integration ， October 20-22 ， 2018 ， Beijing， China .

纪志国 . 我国风电产业现状与发展趋势探究［J］. 中国设备工程， 2020 （ 18 ）： 217 - 218 .

JI Zhiguo . Research on the current situation and development trend of China’s wind power industry ［J］. China Plant Engineering ， 2020 （ 18 ）： 217 - 218 .

AIGNER T ， JAEHNERT S ， DOORMAN G L ， et al . The effect of large-scale wind power on system balancing in Northern Europe ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2012 ， 3 （ 4 ）： 751 - 759 .

任永峰，薛宇，云平平，等 . 马尔可夫预测的多目标优化储能系统平抑风电场功率波动［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 6 ）： 67 - 74 .

REN Yongfeng ， XUE Yu ， YUN Pingping ， et al . Multi-objective optimization of energy storage system with Markov prediction for power fluctuation suppression of wind farm ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 6 ）： 67 - 74 .

YUAN X M . Overview of problems in large-scale wind integrations ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2013 ， 1 （ 1 ）： 22 - 25 .

陈泽西，孙玉树，张妍，等 . 考虑风电波动率的储能系统优化配置策略［J］. 湖南大学学报， 2020 ， 47 （ 8 ）： 60 - 68 .

CHEN Zexi ， SUN Yushu ， ZHANG Yan ， et al . Optimal configuration strategy of energy storage system considering wind power fluctuation rate ［J］. Journal of Hunan University ， 2020 ， 47 （ 8 ）： 60 - 68 .

薛禹胜，雷兴，薛峰，等 . 关于风电不确定性对电力系统影响的评述［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 29 ）： 5029 - 5040 .

XUE Yusheng ， LEI Xing ， XUE Feng ， et al . A review on impacts of wind power uncertainties on power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 29 ）： 5029 - 5040 .

朱瑛，高云波，臧海祥，等 . 风电机组输出功率平滑技术综述［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 18 ）： 182 - 191 .

ZHU Ying ， GAO Yunbo ， ZANG Haixiang ， et al . Review of output power smoothing technologies for wind turbine ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 18 ）： 182 - 191 .

崔杨，彭龙，仲悟之，等 . 双馈型风电场群无功分层协调控制策略［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 17 ）： 4300 - 4307 .

CUI Yang ， PENG Long ， ZHONG Wuzhi ， et al . Coordination strategy of reactive power control on wind farms based doubly fed induction generator ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 17 ）： 4300 - 4307 .

DÍAZ-GONZÁLEZ F ， BIANCHI F D ， SUMPER A ， et al . Control of a flywheel energy storage system for power smoothing in wind power plants ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2014 ， 29 （ 1 ）： 204 - 214 .

刘颖明，王维，王晓东，等 . 结合风功率预测及储能能量状态的模糊控制策略平滑风电出力［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 7 ）： 2535 - 2543 .

LIU Yingming ， WANG Wei ， WANG Xiaodong ， et al . A fuzzy control strategy combined with wind power prediction and energy storage SOE for smoothing wind power output ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 7 ）： 2535 - 2543 .

UEHARA A ， PRATAP A ， GOYA T ， et al . A coordinated control method to smooth wind power fluctuations of a PMSG-based WECS ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2011 ， 26 （ 2 ）： 550 - 558 .

TESHAGER B G ， HAN M X ， PATROBERS S ， et al . Direct power control strategy based variable speed pumped storage system for the reduction of the wind power fluctuation impact on the grid stability ［C］// 2018 IEEE 12th International Conference on Compatibility ， Power Electronics and Power Engineering （CPE-POWERENG 2018 ）， April 10-12 ， 2018 ， Doha， Qatar .

张晴晴，牛玉广，代云飞 . 基于转子动能和变桨距控制的DFIG功率平滑控制［J］. 电气自动化， 2015 ， 37 （ 3 ）： 40 - 43 .

ZHANG Qingqing ， NIU Yuguang ， DAI Yunfei . DFIG power smoothing based on the control over rotor kinetic energy and variable pitch ［J］. Electrical Automation ， 2015 ， 37 （ 3 ）： 40 - 43 .

徐科，胡敏强，杜炎森，等 . 直流母线电压控制实现并网与最大风能跟踪［J］. 电力系统自动化， 2007 ， 31 （ 11 ）： 53 - 58 .

XU Ke ， HU Minqiang ， DU Yansen ， et al . Realization of grid-connected and maximal wind-power tracking by DC bus voltage control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2007 ， 31 （ 11 ）： 53 - 58 .

刘柳，王德林，杨仁杰，等 . 基于桨距角控制的双馈风机参与电网二次调频控制策略研究［J］. 电工电能新技术， 2020 ， 39 （ 5 ）： 10 - 16 .

LIU Liu ， WANG Delin ， YANG Renjie ， et al . Research on control strategy of DFIG participating in secondary frequency regulation based on pitch control ［J］. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy ， 2020 ， 39 （ 5 ）： 10 - 16 .

VARZANEH S G ， GHAREHPETIAN G B ， ABEDI M . Output power smoothing of variable speed wind farms using rotor-inertia ［J］. Electric Power Systems Research ， 2014 ， 116 ： 208 - 217 .

SENJYU T ， OCHI Y ， KIKUNAGA Y ， et al . Output power leveling of wind generation system using inertia of wind turbine ［C］// 2008 IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies ， November 24-27 ， 2008 ， Singapore.

HOWLADER A M ， URASAKI N ， SENJYU T ， et al . Output power leveling of wind generation system using inertia for PM synchronous generator ［C］// 2009 International Conference on Power Electronics and Drive Systems （PEDS）， November 2-5 ， 2009 ， Taipei， China .

LUO C L ， BANAKAR H ， SHEN B K ， et al . Strategies to smooth wind power fluctuations of wind turbine generator ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2007 ， 22 （ 2 ）： 341 - 349 .

QIN Z A ， BLAABJERG F ， LOH P C . A rotating speed controller design method for power leveling by means of inertia energy in wind power systems ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2015 ， 30 （ 3 ）： 1052 - 1060 .

陈波，吴政球，王国民，等 . 双馈风电机全风况条件下小干扰稳定性分析［J］. 太阳能学报， 2012 ， 33 （ 4 ）： 525 - 531 .

CHEN Bo ， WU Zhengqiu ， WANG Guomin ， et al . Small-signal stability analysis of doubly-fed induction generator under different wind speed conditions ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2012 ， 33 （ 4 ）： 525 - 531 .

李玉博，贾燕冰，王金浩，等 . 计及全风况小干扰稳定的双馈风机变换器控制参数设计［J］. 电机与控制应用， 2018 ， 45 （ 11 ）： 94 - 103 .

LI Yubo ， JIA Yanbing ， WANG Jinhao ， et al . Control parameters design of DFIG converter considering the small-signal stability of power grid under all possible wind speeds ［J］. Electric Machines & Control Application ， 2018 ， 45 （ 11 ）： 94 - 103 .

李颖颖 . 限功率运行条件下双馈风电机组参与电网一次调频控制策略研究［D］. 成都：西南交通大学， 2019 .

LI Yingying . Research on control strategy of doubly-fed induction generator participating in primary frequency modulation of power system under power limitation ［D］. Chengdu ： Southwest Jiaotong University ， 2019 .

马荣荣，贾燕冰，张博文，等 . 多双馈风机变换器控制参数整定［J］. 中国科技论文， 2020 ， 15 （ 3 ）： 308 - 313 .

MA Rongrong ， JIA Yanbing ， ZHANG Bowen ， et al . Control parameters setting of multi-double fed induction generator ［J］. China Sciencepaper ， 2020 ， 15 （ 3 ）： 308 - 313 .

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