Measurement Data Based Analysis and Modeling Method for Harmonic Characteristics of Direct-drive Wind Turbine

ZHANG Lei; SUN Yuanyuan; LI Yahui; ZHANG Fan; LIU Yang; LI Lisheng

doi:10.7500/AEPS20240331008

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Measurement Data Based Analysis and Modeling Method for Harmonic Characteristics of Direct-drive Wind Turbine

Basic Research | 更新时间：2025-06-16

- Measurement Data Based Analysis and Modeling Method for Harmonic Characteristics of Direct-drive Wind Turbine
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 3, Pages: 82-92(2025)
- 作者机构：
  
  1.山东大学电气工程学院，山东省济南市 250061
  2.中国电气装备集团有限公司，上海市 200072
  3.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东省济南市 250003
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Joint Funds of National Natural Science Foundation of China(U23B20116);National Natural Science Foundation of China(52407120)
- DOI：10.7500/AEPS20240331008
  CLC：
- Received：31 March 2024，
  
  Revised：2024-10-14，
  
  Published Online：28 November 2024，
  
  Published：10 February 2025
- 稿件说明：
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张磊,孙媛媛,李亚辉等.基于实测数据的直驱风电机组谐波特性分析及建模方法[J].电力系统自动化,2025,49(3):82-92.

ZHANG Lei,SUN Yuanyuan,LI Yahui,et al.Measurement Data Based Analysis and Modeling Method for Harmonic Characteristics of Direct-drive Wind Turbine[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(3):82-92.
张磊,孙媛媛,李亚辉等.基于实测数据的直驱风电机组谐波特性分析及建模方法[J].电力系统自动化,2025,49(3):82-92. DOI： 10.7500/AEPS20240331008.

ZHANG Lei,SUN Yuanyuan,LI Yahui,et al.Measurement Data Based Analysis and Modeling Method for Harmonic Characteristics of Direct-drive Wind Turbine[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(3):82-92. DOI： 10.7500/AEPS20240331008.

摘要

随着新型电力系统的发展，以风力发电为代表的新能源被广泛使用，受电力电子器件开关特性的影响，风电机组并网时不可避免地产生谐波，在大规模并网时，风电集群设备间的交互影响进一步加剧谐波问题。为此，提出了一种基于实测数据的风电机组谐波特性建模方法，用于分析实际工程中风电机组的谐波特性。首先，明确了不同频次谐波特性的关键影响因素，提出了风电机组的谐波特性分析模型，简化了风电机组谐波建模的整体过程。其次，结合实际风电集群拓扑结构，建立了风电集群聚合谐波模型，明确了风电机组之间的谐波交互影响程度，量化了计及风电机组间耦合影响的单体与集群的关联关系。最后，通过实验分析了直驱风电机组的谐波特性，通过仿真验证了集群聚合谐波模型的准确性，提高了风电集群建模的准确度。

Abstract

With the development of new power systems

renewable energy represented by wind power generation is widely utilized. Due to the influence of switching characteristics of electronic devices

wind turbines inevitably generate harmonics during the grid connection. During large-scale grid connections

the interaction between wind power cluster devices further exacerbates harmonic issues. Therefore

the measurement data based modeling method for harmonic characteristics of direct-drive wind turbines is proposed

which is used to analyze the harmonic characteristics of wind turbines in engineering practice. Firstly

the key influencing factors of harmonic characteristics at different frequencies are identified

and a harmonic characteristic analysis model for wind turbines is proposed

which simplifies the overall process of harmonic modeling for wind turbines. Secondly

based on the actual topology of wind power clusters

an aggregation harmonic model of wind power clusters is established

which clarifies the interactive effect of harmonics among wind turbines and quantifies the correlation between individual units and clusters considering the coupling effects between wind turbines. Finally

the harmonic characteristics of direct-drive wind turbines are validated by experiments; the accuracy for the aggregated harmonic model of clusters is validated by simulations

and the accuracy of wind power cluster modeling is improved.

关键词

Keywords

references

LI Y H ， SUN Y Y ， WANG Q Y ， et al . Probabilistic harmonic forecasting of the distribution system considering time-varying uncertainties of the distributed energy resources and electrical loads ［J］. Applied Energy ， 2023 ， 329 ： 120298 .

郜捷，宋洁，王剑晓，等 . 支撑中国能源安全的电氢耦合系统形态与关键技术［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 19 ）： 1 - 15 .

GAO Jie ， SONG Jie ， WANG Jianxiao ， et al . Form and key technologies of integrated electricity-hydrogen system supporting energy security in China ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 19 ）： 1 - 15 .

YIN S L ， SUN Y Y ， XU Q S ， et al . Multi-harmonic sources identification and evaluation method based on cloud-edge-end collaboration ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2024 ， 156 ： 109681 .

年珩，周骐，吴超，等 . 双馈风电机组并网运行下谐波电流建模与特性分析［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 17 ）： 5037 - 5048 .

NIAN Heng ， ZHOU Qi ， WU Chao ， et al . The modeling and characteristic analysis of harmonic current of DFIG based wind turbine in grid-connected mode ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 17 ）： 5037 - 5048 .

贾磊，刘瑞芳，李知浩，等 . 永磁同步风力发电机高频共模电流谐波分布及幅值影响因素研究［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （增刊1 ）： 101 - 113 .

JIA Lei ， LIU Ruifang ， LI Zhihao ， et al . Study on the influence factors of harmonic distribution and amplitude of common-mode current of permanent magnet synchronous wind turbines ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ S1 ）： 101 - 113 .

许水清，陶松兵，何怡刚，等 . 基于相电流瞬时频率估计的永磁直驱风电变流器开路故障诊断［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 2 ）： 433 - 444 .

XU Shuiqing ， TAO Songbing ， HE Yigang ， et al . Open-circuit fault diagnosis for back-to-back converter of PMSG wind generation system based on estimated instantaneous frequency of phase current ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 433 - 444 .

SUN J . Small-signal methods for AC distributed power systems—a review ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2009 ， 24 （ 11 ）： 2545 - 2554 .

张晓英，吴宏强，舒子江，等 . 基于PCA和改进ABC-K聚类算法的双馈机组风电场等值建模［J］. 电气工程学报， 2023 ， 18 （ 1 ）： 201 - 210 .

ZHANG Xiaoying ， WU Hongqiang ， SHU Zijiang ， et al . Equivalent modeling of DFIG wind farm based on PCA and improved ABC-K clustering algorithm ［J］. Journal of Electrical Engineering ， 2023 ， 18 （ 1 ）： 201 - 210 .

王渝红，程杨帆，廖建权，等 . 基于改进电容电流反馈的含非线性负载光伏并网系统振荡抑制策略［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 16 ）： 10 - 22 .

WANG Yuhong ， CHENG Yangfan ， LIAO Jianquan ， et al . Oscillation suppression strategy of a PV grid-connected system with nonlinear loads based on improved capacitor current feedback ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 16 ）： 10 - 22 .

李亚辉，孙媛媛，李可军，等 . 不平衡供电条件下多脉动整流器的谐波特性分析［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 23 ）： 152 - 161 .

LI Yahui ， SUN Yuanyuan ， LI Kejun ， et al . Harmonic characteristic analysis of multi-pulse rectifier under unbalanced power supply condition ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 23 ）： 152 - 161 .

林顺富，李寅，戴烨敏，等 . 考虑谐波耦合的多变流器并网系统建模及交直流谐波交互特性分析［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 10 ）： 65 - 77 .

LIN Shunfu ， LI Yin ， DAI Yemin ， et al . Modeling of a multiple grid-connected-converter system considering harmonic coupling and analysis of AC/DC harmonic interaction characteristics ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 10 ）： 65 - 77 .

王晋宁，王磊，韩肖清，等 . 基于谐波状态空间建模的变换器交直流谐波耦合特性分析［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 4 ）： 159 - 167 .

WANG Jinning ， WANG Lei ， HAN Xiaoqing ， et al . Analysis on AC/DC harmonic coupling characteristics of converter based on harmonic state space modeling ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 4 ）： 159 - 167 .

SUN Y Y ， LI S R ， XU Q S ， et al . Harmonic contribution evaluation based on the distribution-level PMUs ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 909 - 919 .

孙媛媛，许庆燊，马钊，等 . 数字化背景下新型电力系统谐波溯源关键技术［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 6 ）： 154 - 169 .

SUN Yuanyuan ， XU Qingshen ， MA Zhao ， et al . Key technologies for harmonic source tracing in new power system in background of digitalization ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 6 ）： 154 - 169 .

王赟程，陈新，陈杰，等 . 基于谐波线性化的三相LCL型并网逆变器正负序阻抗建模分析［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 21 ）： 5890 - 5898 .

WANG Yuncheng ， CHEN Xin ， CHEN Jie ， et al . Analysis of positive-sequence and negative-sequence impedance modeling of three-phase LCL-type grid-connected inverters based on harmonic linearization ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 21 ）： 5890 - 5898 .

张冲，王伟胜，何国庆，等 . 基于序阻抗的直驱风电场次同步振荡分析与锁相环参数优化设计［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 23 ）： 6757 - 6767 .

ZHANG Chong ， WANG Weisheng ， HE Guoqing ， et al . Analysis of sub-synchronous oscillation of full-converter wind farm based on sequence impedance and an optimized design method for PLL parameters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 23 ）： 6757 - 6767 .

史金柱，杨黎晖，朱美婷 . 弱电网下基于DSOGI-PLL的并网换流器频率耦合阻抗建模与稳定性分析［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 5 ）： 112 - 117 .

SHI Jinzhu ， YANG Lihui ， ZHU Meiting . Frequency coupling impedance modeling and stability analysis of grid-connected converter based on DSOGI-PLL in weak grid ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 5 ）： 112 - 117 .

WEN B ， BOROYEVICH D ， BURGOS R ， et al . Analysis of D - Q small-signal impedance of grid-tied inverters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2016 ， 31 （ 1 ）： 675 - 687 .

李龙源，付瑞清，吕晓琴，等 . 接入弱电网的同型机直驱风电场单机等值建模［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 3 ）： 712 - 725 .

LI Longyuan ， FU Ruiqing ， LÜ Xiaoqin ， et al . Single machine equivalent modeling of weak grid connected wind farm with same type PMSGs ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 3 ）： 712 - 725 .

LIAO S H ， HUANG M ， ZHA X M ， et al . Emulation of multi-inverter integrated weak grid via interaction-preserved aggregation ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 4 ）： 4153 - 4164 .

余浩，黎灿兵，叶志亮，等 . 计及尾流效应的风电场短路故障动态等值建模［J］. 上海交通大学学报， 2024 ， 58 （ 6 ）： 798 - 805 .

YU Hao ， LI Canbing ， YE Zhiliang ， et al . Dynamic equivalence modeling of short circuit faults in wind farms considering tail current effects ［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University ， 2024 ， 58 （ 6 ）： 798 - 805 .

张智，陈艳波，宋新甫，等 . 基于多指标面板数据特征提取的同调机组分群方法［J］. 电力系统保护与控制， 2020 ， 48 （ 17 ）： 27 - 36 .

ZHANG Zhi ， CHEN Yanbo ， SONG Xinfu ， et al . Coherent clustering method based on feature extraction for multi-index panel data ［J］. Power System Protection and Control ， 2020 ， 48 （ 17 ）： 27 - 36 .

齐金玲，李卫星，晁璞璞，等 . 直驱风电场实用化等值方法［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 12 ）： 50 - 57 .

QI Jinling ， LI Weixing ， CHAO Pupu ， et al . Practical equivalent method for direct-driven wind farm ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 12 ）： 50 - 57 .

年珩，徐韵扬，陈亮，等 . 并网逆变器频率耦合特性建模及系统稳定性分析［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 5 ）： 1421 - 1432 .

NIAN Heng ， XU Yunyang ， CHEN Liang ， et al . Frequency coupling characteristic modeling of grid-connected inverter and system stability analysis ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 5 ）： 1421 - 1432 .

谢志为 . 直驱风电场频率耦合导纳建模与宽频带振荡抑制方法研究［D］. 长沙：湖南大学， 2021 .

XIE Zhiwei . Study on frequency coupling admittance modeling and broadband oscillation suppression method of direct-drive wind farm ［D］. Changsha ： Hunan University ， 2021 .

CESPEDES M ， SUN J . Impedance modeling and analysis of grid-connected voltage-source converters ［J］ IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 3 ）： 1254 - 1261 .

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