Multi-time-scale Equivalent Inertia Mechanism Modeling of Direct-drive Wind Turbines Based on Full-order Model

JIANG Jiheng; LU Zongxiang; QIAO Ying; LI Jiaming; CHENG Yan; GUAN Yifei; WANG Ting

doi:10.7500/AEPS20230803004

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Multi-time-scale Equivalent Inertia Mechanism Modeling of Direct-drive Wind Turbines Based on Full-order Model

Control Theory and Application of Inertia-Power-Frequency in New Power System | 更新时间：2025-06-16

- Multi-time-scale Equivalent Inertia Mechanism Modeling of Direct-drive Wind Turbines Based on Full-order Model
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 8, Pages: 79-90(2024)
- 作者机构：
  
  1.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学),北京市 100084
  2.国网山东省电力公司电力科学研究院,山东省济南市 250003
  3.国网山东省电力公司,山东省济南市 250000
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Key R&D Program of China(2021YFB2400500);State Grid Corporation of China
- DOI：10.7500/AEPS20230803004
  CLC：
- Received：03 August 2023，
  
  Revised：2024-01-02，
  
  Published Online：27 March 2024，
  
  Published：25 April 2024
- 稿件说明：
移动端阅览
姜继恒,鲁宗相,乔颖等.基于全阶模型的直驱风电机组多时间尺度等效惯量机理建模[J].电力系统自动化,2024,48(8):79-90.

JIANG Jiheng,LU Zongxiang,QIAO Ying,et al.Multi-time-scale Equivalent Inertia Mechanism Modeling of Direct-drive Wind Turbines Based on Full-order Model[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(8):79-90.
姜继恒,鲁宗相,乔颖等.基于全阶模型的直驱风电机组多时间尺度等效惯量机理建模[J].电力系统自动化,2024,48(8):79-90. DOI： 10.7500/AEPS20230803004.

JIANG Jiheng,LU Zongxiang,QIAO Ying,et al.Multi-time-scale Equivalent Inertia Mechanism Modeling of Direct-drive Wind Turbines Based on Full-order Model[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(8):79-90. DOI： 10.7500/AEPS20230803004.

摘要

构建风电机组的等效惯量模型是开展风电场暂态支撑定量分析与优化控制工作的关键基础，在转动惯量降低、频率特性劣化的高比例可再生能源电网场景下尤其关键。然而，现有模型研究往往结合分析目标侧重若干环节而未能建立全环节的完整模型，也未能揭示不同时间尺度降阶模型与计算精度的关系。首先，以直驱风电机组为对象，在对比风电等效惯量与同步机惯量在机理和实现方式等方面差异的基础上，分析了机械、控制、电气等环节对风电等效惯量的动态影响，建立了风电机组的频率响应全阶模型。然后，基于奇异摄动理论推导了考虑不同时间尺度动态的等效惯量降阶模型，应用瓦西里耶娃理论推导了误差与模型时间尺度之间的关系。最后，采用电磁暂态仿真算例验证了全阶机理模型的有效性及不同降阶模型的精度水平。

Abstract

Constructing the equivalent inertia model of wind turbines is a key basis for quantitative analysis and optimal control of wind farm transient support

especially in the scenario of high-proportion renewable energy power grid with reduced of inertia and degraded frequency characteristics. However

the existing model research often focuses on several links in combination with the analysis goal

but does not establish a complete model of the whole links

and does not reveal the relationship between the reduced-order model and the calculation accuracy at different time scales. Firstly

taking direct-drive wind turbine as the object

based on the comparison of the equivalent inertia of wind power and synchronous machine in mechanism and implementation mode

the dynamic influence of mechanical

control and electrical links on the equivalent inertia of wind power is analyzed

and a full-order frequency response model of the wind turbine is established. Then

based on the singular perturbation theory

the equivalent inertia reduction model considering the dynamics of different time scales is derived

and the relationship between the error and the time scale of the model is derived by applying the Vasilyeva theory. Finally

an electromagnetic transient simulation case is used to verify the effectiveness of the full-order mechanism model and the accuracy of different reduced-order models.

关键词

Keywords

references

HATZIARGYRIOU N ， MILANOVIĆ J ， RAHMANN C ， et al . Stability definitions and characterization of dynamic behavior in systems with high penetration of power electronic interfaced technologies ［C］// IEEE Power & Energy Society General Meeting ， August 2-6 ， 2020 ， Montreal， Canada .

国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 . 风电场接入电力系统技术规定： GB/T 19963—2011 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2012 .

General Administration of Quality Supervision ， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China ， Standardization Administration of the People’s Republic of China . Technical rule for connecting wind farm to power system ： GB/T 19963—2011 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2012 .

鲁宗相，姜继恒，乔颖，等 . 新型电力系统广义惯量分析与优化研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1754 - 1775 .

LU Zongxiang ， JIANG Jiheng ， QIAO Ying ， et al . A review on generalized inertia analysis and optimization of new power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1754 - 1775 .

黄俊凯，杨知方，余娟，等 . 面向频率稳定校核的风机快速频率响应低阶建模方法及其误差分析［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 18 ）： 6752 - 6765 .

HUANG Junkai ， YANG Zhifang ， YU Juan ， et al . Low-order modeling of wind turbine-based fast frequency response and its error analysis for frequency stability assessment ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 18 ）： 6752 - 6765 .

李世春，邓长虹，龙志君，等 . 风电场等效虚拟惯性时间常数计算［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 7 ）： 22 - 29 .

LI Shichun ， DENG Changhong ， LONG Zhijun ， et al . Calculation of equivalent virtual inertial time constant of wind farm ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 7 ）： 22 - 29 .

李世春，唐红艳，邓长虹，等 . 考虑频率约束及风电机组调频的风电穿透功率极限计算［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 4 ）： 33 - 39 .

LI Shichun ， TANG Hongyan ， DENG Changhong ， et al . Calculation of wind power penetration limit considering frequency constraint and wind turbine frequency modulation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 4 ）： 33 - 39 .

李世春，黄悦华，王凌云，等 . 基于转速控制的双馈风电机组一次调频辅助控制系统建模［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 24 ）： 7077 - 7086 .

LI Shichun ， HUANG Yuehua ， WANG Lingyun ， et al . Modeling primary frequency regulation auxiliary control system of doubly fed induction generator based on rotor speed control ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 24 ）： 7077 - 7086 .

RAVANJI M H ， CANIZARES C A ， PARNIANI M . Modeling and control of variable speed wind turbine generators for frequency regulation ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2020 ， 11 （ 2 ）： 916 - 927 .

陈鹏伟，戚陈陈，陈新，等 . 附加频率控制双馈风电场频率响应特性建模与参数辨识［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 15 ）： 3293 - 3307 .

CHEN Pengwei ， QI Chenchen ， CHEN Xin ， et al . Frequency response modeling and parameter identification of doubly-fed wind farm with additional frequency control ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 15 ）： 3293 - 3307 .

戚陈陈，陈鹏伟，陈新，等 . 分散式风电高渗透率接入直流受端电网频率特性建模与分析［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 6 ）： 2161 - 2170 .

QI Chenchen ， CHEN Pengwei ， CHEN Xin ， et al . Modeling and analyzing for frequency characteristics of distributed wind power with high proportional participation in DC receiving power grid ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 6 ）： 2161 - 2170 .

CHEN P W ， QI C C ， CHEN X . Virtual inertia estimation method of DFIG-based wind farm with additional frequency control ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2021 ， 9 （ 5 ）： 1076 - 1087 .

HE W ， YUAN X M ， HU J B . Inertia provision and estimation of PLL-based DFIG wind turbines ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 1 ）： 510 - 521 .

YUAN H ， YUAN X M ， HU J B . Modeling of grid-connected VSCs for power system small-signal stability analysis in DC-link voltage control timescale ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 5 ）： 3981 - 3991 .

LI S ， YAN Y B ， YUAN X M . SISO equivalent of MIMO VSC-dominated power systems for voltage amplitude and phase dynamic analyses in current control timescale ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2019 ， 34 （ 3 ）： 1454 - 1465 .

HU J B ， SUN L ， YUAN X M ， et al . Modeling of type 3 wind turbines with d f /d t inertia control for system frequency response study ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 4 ）： 2799 - 2809 .

TAN S L ， GENG H ， YANG G ， et al . Modeling framework of voltage-source converters based on equivalence with synchronous generator ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2018 ， 6 （ 6 ）： 1291 - 1305 .

NADERI M ， KHAYAT Y ， SHAFIEE Q ， et al . Dynamic modeling， stability analysis and control of interconnected microgrids： a review ［J］. Applied Energy ， 2023 ， 334 ： 120647 .

叶一达，魏林君，阮佳阳，等 . 电力电子接口电源的准功率特性降阶建模体系［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 14 ）： 3993 - 4001 .

YE Yida ， WEI Linjun ， RUAN Jiayang ， et al . A generic reduced-order modeling hierarchy for power-electronic interfaced generators with the quasi-constant-power feature ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 14 ）： 3993 - 4001 .

MALLIK R ， MAJMUNOVIC B ， DUTTA S ， et al . Control design of series-connected PV-powered grid-forming converters via singular perturbation ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 4 ）： 4306 - 4322 .

MA Y M ， ZHU D H ， ZHANG Z Q ， et al . Modeling and transient stability analysis for type-3 wind turbines using singular perturbation and Lyapunov methods ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2023 ， 70 （ 8 ）： 8075 - 8086 .

HEYLEN E ， TENG F ， STRBAC G . Challenges and opportunities of inertia estimation and forecasting in low-inertia power systems ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2021 ， 147 ： 111176 .

高晖胜，辛焕海，黄林彬，等 . 新能源电力系统的共模频率分析及其特征量化［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 3 ）： 890 - 899 .

GAO Huisheng ， XIN Huanhai ， HUANG Linbin ， et al . Characteristic analysis and quantification of common mode frequency in power systems with high penetration of renewable resources ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 3 ）： 890 - 899 .

MA Q Y ， CHEN L ， LI L Y ， et al . Effect of grid-following VSC on terminal frequency ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2023 ， 38 （ 2 ）： 1775 - 1778 .

周明儒，林武忠，倪明康，等 . 奇异摄动导论［M］. 北京：科学出版社， 2014 .

ZHOU Mingru ， LIN Wuzhong ， NI Mingkang ， et al . Introduction to singular perturbations ［M］. Beijing ： Science Press ， 2014 .

马凡，付立军，叶志浩，等 . 基于降阶模型的非线性系统稳定性快速评估［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 19 ）： 126 - 134 .

MA Fan ， FU Lijun ， YE Zhihao ， et al . Fast assessment of nonlinear system stability based on reduced model ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 19 ）： 126 - 134 .

刘永强，严正，倪以信，等 . 双时间尺度电力系统动态模型降阶研究（二）——降阶与分析［J］. 电力系统自动化， 2002 ， 26 （ 19 ）： 1 - 6 .

LIU Yongqiang ， YAN Zheng ， NI Yixin ， et al . Study on the order reduction of two-time scale power system dynamic models： Part two order reduction and analysis ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2002 ， 26 （ 19 ）： 1 - 6 .

VASILʹEVA A B ， BORISOVNA A . Asymptotic expansions of solutions of singularly perturbed problems ［M］. Mequon， USA ： Wisconsin University Madison Mathematics Research Center ， 1969 .

KUNDUR P ， BALU N J ， LAUBY M G . Power system stability and control ［M］. New York， USA ： McGraw-Hill ， 1994 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Multi-time-scale Collaborative Optimization Strategy for Shared Storage Capacity Considering Coupling of Hydro-Electric Risk

Feedback Control Strategy for Wind Power Auxiliary Frequency Regulation Based on System Frequency Trajectory Optimization

负载变流器直流侧阻抗降阶模型适用性分析

Related Author

ZHU Xueke

ZHU Jiebei

YU Lujie

GUO Li

HUANG Weihuang

GUO Zhu

ZHOU Sheng

PENG Lizhuo

Related Institution

School of Electrical Automation and Information Engineering, Tianjin University

State Grid Suzhou Power Supply Company

Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid Company Limited

College of Electrical Engineering, Zhejiang University

Ningbo Power Supply Company of State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd.

⁰