Two-segment Droop Frequency Regulation Control Strategy and Parameter Setting Method for Wind Turbines

GAO Haishu; ZHANG Feng; DING Lei

doi:10.7500/AEPS20230525004

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Two-segment Droop Frequency Regulation Control Strategy and Parameter Setting Method for Wind Turbines

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Two-segment Droop Frequency Regulation Control Strategy and Parameter Setting Method for Wind Turbines
- Automation of Electric Power Systems Vol. 47, Issue 18, Pages: 111-121(2023)
- 作者机构：
  
  电网智能化调度与控制教育部重点实验室（山东大学），山东省济南市 250061
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Key R&D Program of China(2021YFB2400500)
- DOI：10.7500/AEPS20230525004
  CLC：
- Received：25 May 2023，
  
  Revised：2023-07-12，
  
  Published Online：17 August 2023，
  
  Published：25 September 2023
- 稿件说明：
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高海淑,张峰,丁磊.风电机组两分段下垂调频控制策略及参数整定方法[J].电力系统自动化,2023,47(18):111-121.

GAO Haishu,ZHANG Feng,DING Lei.Two-segment Droop Frequency Regulation Control Strategy and Parameter Setting Method for Wind Turbines[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(18):111-121.
高海淑,张峰,丁磊.风电机组两分段下垂调频控制策略及参数整定方法[J].电力系统自动化,2023,47(18):111-121. DOI： 10.7500/AEPS20230525004.

GAO Haishu,ZHANG Feng,DING Lei.Two-segment Droop Frequency Regulation Control Strategy and Parameter Setting Method for Wind Turbines[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(18):111-121. DOI： 10.7500/AEPS20230525004.

摘要

风电机组传统虚拟惯量调频存在可靠性偏低的缺陷。为此，在不额外增加调频能量需求的前提下，以桨叶动能为能量来源，提出了风电机组的两分段下垂调频策略来替代综合惯量，建立其频率解析模型并给出了参数整定方法。首先，为避免复数域模型无法应对分段调频控制分析，建立了两分段下垂调频控制的频率响应时域解析模型，并针对分段引入的非零初始条件问题，采用分部积分法合理化简时域模型，求解初始条件进而得到频率响应解析表达式。然后，基于解析表达式分析得到，两分段下垂控制能够在不额外增加调频能量的情况下具备对虚拟惯量替代的能力。进一步，提出两分段下垂调频参数的等值整定方法，并给出在线映射的应用方法。最后，仿真验证表明了所提策略及调频参数整定方法的有效性与可行性。

Abstract

The traditional virtual inertia frequency regulation of wind turbines has low reliability. Therefore

without adding additional energy demand for frequency regulation

using the kinetic energy of the propeller as the energy source

a two-segment droop frequency regulation strategy for wind turbines is proposed to replace the integrated inertia. Moreover

the frequency analytical model is established and the parameter setting method is given. First

in order to avoid the complex-domain model being unable to deal with the analysis of segmented frequency regulation control

a time-domain analytical model for the frequency response of the two-segment droop frequency regulation control is established. Aiming at the non-zero initial condition problem introduced by the segmentation

the time-domain model is reasonably simplified by the integration by parts method

and the initial condition is solved to obtain the analytical expression of frequency response. Then

based on analyzing the analytical expressions

it is obtained that the two-segment droop control is capable of virtual inertia substitution without adding additional frequency regulation energy. Further

the equivalent setting method for two-segment droop frequency regulation parameters is proposed and the application method of online mapping is given. Finally

the simulation validation shows the effectiveness and feasibility of the proposed strategy and the setting method for frequency regulation parameters.

关键词

Keywords

references

胡博，谢开贵，邵常政，等 . 双碳目标下新型电力系统风险评述：特征、指标及评估方法［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1 - 15 .

HU Bo ， XIE Kaigui ， SHAO Changzheng ， et al . Commentary on risk of new power system under goals of carbon emission peak and carbon neutrality： characteristics， indices and assessment methods ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1 - 15 .

李亚楼，张星，胡善华，等 . 含高比例电力电子装备电力系统安全稳定分析建模仿真技术［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 10 ）： 33 - 42 .

LI Yalou ， ZHANG Xing ， HU Shanhua ， et al . Modeling and simulation technology for stability analysis of power system with high proportion of power electronics ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 10 ）： 33 - 42 .

张桂红，刘飞，王世斌，等 . 高比例新能源电力系统频率稳定性的惯量需求分析［J］. 电力系统及其自动化学报， 2022 ， 34 （ 7 ）： 81 - 87 .

ZHANG Guihong ， LIU Fei ， WANG Shibin ， et al . Inertia requirement analysis of frequency stability of renewable-dominant power system ［J］. Proceedings of the CSU-EPSA ， 2022 ， 34 （ 7 ）： 81 - 87 .

李世春，涂杰，舒征宇，等 . 促进调峰的大规模风电调频备用容量动态配置策略［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 24 ）： 53 - 59 .

LI Shichun ， TU Jie ， SHU Zhengyu ， et al . Dynamic configuration strategy for frequency regulation reserve capacity of large-scale wind power for promoting peak load regulation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 24 ）： 53 - 59 .

李顺，廖清芬，唐飞，等 . 高风电渗透率下的自适应低频减载策略研究［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 4 ）： 1084 - 1090 .

LI Shun ， LIAO Qingfen ， TANG Fei ， et al . Adaptive underfrequency load shedding strategy considering high wind power penetration ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 4 ）： 1084 - 1090 .

HWANG M ， MULJADI E ， PARK J W ， et al . Dynamic droop-based inertial control of a doubly-fed induction generator ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2016 ， 7 （ 3 ）： 924 - 933 .

颜湘武，孙雪薇，崔森，等 . 基于转子动能与超级电容器储能的双馈风电机组惯量和一次调频改进控制策略［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （增刊1 ）： 179 - 190 .

YAN Xiangwu ， SUN Xuewei ， CUI Sen ， et al . Improved control strategy for inertia and primary frequency regulation of doubly fed induction generator based on rotor kinetic energy and supercapacitor energy storage ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ Supplement 1 ）： 179 - 190 .

MEHRABANKHOMARTASH M ， SAEEDIFARD M ， YAZDANI A . Adjustable wind farm frequency support through multi-terminal HVDC grids ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2021 ， 12 （ 2 ）： 1461 - 1472 .

ASHOURI-ZADEH A ， TOULABI M . Adaptive virtual inertia controller for DFIGs considering nonlinear aerodynamic efficiency ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2021 ， 12 （ 2 ）： 1060 - 1067 .

颜湘武，王德胜，杨琳琳，等 . 直驱风机惯量支撑与一次调频协调控制策略［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 15 ）： 3282 - 3292 .

YAN Xiangwu ， WANG Desheng ， YANG Linlin ， et al . Coordinated control strategy of inertia support and primary frequency regulation of PMSG ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 15 ）： 3282 - 3292 .

YANG P H ， DONG X L ， LI Y ， et al . Research on primary frequency regulation control strategy of wind-thermal power coordination ［J］. IEEE Access ， 2019 ， 7 ： 144766 - 144776 .

潘文霞，全锐，王飞 . 基于双馈风电机组的变下垂系数控制策略［J］. 电力系统自动化， 2015 ， 39 （ 11 ）： 126 - 131 .

PAN Wenxia ， QUAN Rui ， WANG Fei . A variable droop control strategy for doubly-fed induction generators ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2015 ， 39 （ 11 ）： 126 - 131 .

YE H ， PEI W ， QI Z P . Analytical modeling of inertial and droop responses from a wind farm for short-term frequency regulation in power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2016 ， 31 （ 5 ）： 3414 - 3423 .

柯贤波，张文朝，李朋旺，等 . 高风电渗透率系统的模糊自适应虚拟惯量控制［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 6 ）： 2127 - 2136 .

KE Xianbo ， ZHANG Wenchao ， LI Pengwang ， et al . Fuzzy adaptive virtual inertia control for high wind power penetration system ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 6 ）： 2127 - 2136 .

GUO L ， REN Y F ， WANG Z G ， et al . Double-layer feedback control method for synchronized frequency regulation of PMSG-based wind farm ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2021 ， 12 （ 4 ）： 2423 - 2435 .

WU Y K ， YANG W H ， HU Y L ， et al . Frequency regulation at a wind farm using time-varying inertia and droop controls ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2019 ， 55 （ 1 ）： 213 - 224 .

颜湘武，崔森，宋子君，等 . 基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频策略［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 14 ）： 111 - 120 .

YAN Xiangwu ， CUI Sen ， SONG Zijun ， et al . Inertia and primary frequency regulation strategy of doubly-fed wind turbine based on super-capacitor energy storage control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 14 ）： 111 - 120 .

LIU T C ， PAN W X ， QUAN R ， et al . A variable droop frequency control strategy for wind farms that considers optimal rotor kinetic energy ［J］. IEEE Access ， 2019 ， 7 ： 68636 - 68645 .

张政，彭晓涛，李少林，等 . 双馈风机附加频率控制对系统调频动态的影响［J］. 电力建设， 2021 ， 42 （ 10 ）： 89 - 100 .

ZHANG Zheng ， PENG Xiaotao ， LI Shaolin ， et al . Influence of additional frequency control of DFIG on frequency-regulation dynamic characteristics of power system ［J］. Electric Power Construction ， 2021 ， 42 （ 10 ）： 89 - 100 .

SUN M ， MIN Y ， CHEN L ， et al . Optimal auxiliary frequency control of wind turbine generators and coordination with synchronous generators ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2020 ， 7 （ 1 ）： 78 - 85 .

孙华东，王宝财，李文锋，等 . 高比例电力电子电力系统频率响应的惯量体系研究［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 16 ）： 5179 - 5192 .

SUN Huadong ， WANG Baocai ， LI Wenfeng ， et al . Research on inertia system of frequency response for power system with high penetration electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 16 ）： 5179 - 5192 .

VAN DE VYVER J ， DE KOONING J D M ， MEERSMAN B ， et al . Droop control as an alternative inertial response strategy for the synthetic inertia on wind turbines ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2016 ， 31 （ 2 ）： 1129 - 1138 .

FAKHARI MOGHADDAM ARANI M ， MOHAMED Y A R I . Dynamic droop control for wind turbines participating in primary frequency regulation in microgrids ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2018 ， 9 （ 6 ）： 5742 - 5751 .

SUN M ， SUN Y ， CHEN L ， et al . Novel temporary frequency support control strategy of wind turbine generator considering coordination with synchronous generator ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2022 ， 13 （ 2 ）： 1011 - 1020 .

MAHISH P ， PRADHAN A K . Distributed synchronized control in grid integrated wind farms to improve primary frequency regulation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 362 - 373 .

孙铭，徐飞，陈磊，等 . 利用转子动能的风机辅助频率控制最优策略［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 2 ）： 506 - 514 .

SUN Ming ， XU Fei ， CHEN Lei ， et al . Optimal auxiliary frequency control strategy of wind turbine generator utilizing rotor kinetic energy ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 506 - 514 .

廖望，刘东，巫宇锋，等 . 考虑源荷不确定性及用户响应行为的电力系统低碳经济调度［J/OL］. 中国电机工程学报： 1 - 14 ［ 2022-11-12 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20221027.1208.011.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20221027.1208.011.html .

LIAO Wang ， LIU Dong ， WU Yufeng ， et al . Low-carbon economic dispatch of power system considering source-load uncertainties and users response behavior ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ： 1 - 14 ［ 2022-11-12 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20221027.1208.011.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20221027.1208.011.html .

ANDERSON P M ， MIRHEYDAR M . A low-order system frequency response model ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 1990 ， 5 （ 3 ）： 720 - 729 .

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