基于虚拟调速控制的大型孤岛新能源基地LCC直流送出方案

WANG Kailun; SONG Qiang; ZHAO Biao; LIU Wenhua; YU Zhanqing; ZENG Rong

doi:10.7500/AEPS20240515008

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于虚拟调速控制的大型孤岛新能源基地LCC直流送出方案

Special Topic on Stable Operation and DC Transmission Technology for Large-Scale Renewable Energy Bases | 更新时间：2025-06-16

- 基于虚拟调速控制的大型孤岛新能源基地LCC直流送出方案
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 8, Pages: 54-65(2025)
- 作者机构：
  
  清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 100084
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Key R&D Program of China(2023YFB2405900)
- DOI：10.7500/AEPS20240515008
  CLC：
- Received：15 May 2024，
  
  Revised：2024-07-29，
  
  Published Online：12 September 2024，
  
  Published：25 April 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
王凯伦,宋强,赵彪等.基于虚拟调速控制的大型孤岛新能源基地LCC直流送出方案[J].电力系统自动化,2025,49(8):54-65.

WANG Kailun,SONG Qiang,ZHAO Biao,et al.LCC-HVDC Transmission Scheme for Large-scale Islanded Renewable Energy Bases Based on Virtual Governor Control[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(8):54-65.
王凯伦,宋强,赵彪等.基于虚拟调速控制的大型孤岛新能源基地LCC直流送出方案[J].电力系统自动化,2025,49(8):54-65. DOI： 10.7500/AEPS20240515008.

WANG Kailun,SONG Qiang,ZHAO Biao,et al.LCC-HVDC Transmission Scheme for Large-scale Islanded Renewable Energy Bases Based on Virtual Governor Control[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(8):54-65. DOI： 10.7500/AEPS20240515008.

摘要

基于构网型新能源的电网换相换流器（LCC）高压直流输电是实现无常规电源支撑的大型新能源基地经济高效送出的一种可能方案。然而，构网型新能源和LCC的功能定位，以及系统的惯量和强度支撑能力是实现这一方案的关键。为此，提出了基于LCC高压直流输电虚拟调速控制的虚拟同步系统方案。利用LCC的触发角控制自由度实现送端孤岛的有功功率控制与交流电压幅值解耦，使风电机组变流器能够运行于基于

P/f

特性的虚拟同步机（VSG）模式。提出了基于负向功率流等价的虚拟同步系统构建方法，将风力发电机等价为VSG的负向功率虚拟负荷，并将LCC功能等价为负向功率虚拟原动机。基于此设计了LCC虚拟调速控制，实现了送端孤岛的有功平衡和频率控制。从虚拟调速器反馈控制的角度，揭示了系统稳定运行对VSG虚拟惯量的要求和系统关键参数的影响，并给出了设计方法。最后，利用时域仿真验证了所设计系统方案的稳定运行和暂态故障穿越能力。

Abstract

Line commutated converter (LC

C)-high voltage direct current (HVDC) transmission based on grid-forming renewable energy offers a potential scheme to realize the economical and efficient transmission of large-scale renewable energy bases without the support from the conventional power supply. However

the keys to realize the scheme are the functional positioning of grid-forming renewable energy and LCC

as well as the inertia and strength support capability of the system. Therefore

a virtual synchronous system (VSS) scheme based on virtual governor control of LCC-HVDC transmission is proposed. The firing angle control freedom of the LCC is utilized to decouple the active power control and AC voltage amplitude at the sending end of islanded grid

enabling converters of wind turbines to operate in a virtual synchronous generator (VSG) mode based on the

P/f

characteristics. A modeling method for VSS based on negative power flow equivalence is proposed. This method considers the wind turbine as a negative power virtual load for the VSG

while LCC is considered as a negative power virtual prime mover. On this basis

LCC virtual governor control is designed to realize the active power balance and the frequency regulation at the sending end of islanded grid. From the perspective of feedback control of the virtual governor

the requirements of VSG virtual inertia for stable operation of systems and the impacts of the key system parameters are revealed

and the design methodologies are given. Finally

time-domain simulations validate the stable operation and transient fault ride-through ability of the designed system scheme.

关键词

Keywords

references

中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要［EB/OL］.（ 2021-03-13 ）［ 2023-06-15 ］. http：//www.xinhuanet.com/2021-03/13/c_1127205564.htm http://www.xinhuanet.com/2021-03/13/c_1127205564.htm .

The 14th Five-Year Plan for national economical and social development of the People’s Republic of China and the long-term prospect outlines for 2035 ［EB/OL］. （ 2021-03-13 ）［ 2023-06-15 ］. http：//www.xinhuanet.com/2021-03/13/c_1127205564.htm http://www.xinhuanet.com/2021-03/13/c_1127205564.htm .

国家发展和改革委员会 . “十四五”可再生能源发展规划［EB/OL］.（ 2021-10-21 ）［ 2023-06-15 ］. https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202206/t20220601_1326719.html https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202206/t20220601_1326719.html .

National Development and Reform Commission . The “14th Five-Year” Plan for renewable energy development ［EB/OL］. （ 2021-10-21 ）［ 2023-06-15 ］. https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202206/t20220601_1326719.html https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202206/t20220601_1326719.html .

辛保安，郭铭群，王绍武，等 . 适应大规模新能源友好送出的直流输电技术与工程实践［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 22 ）： 1 - 8 .

XIN Baoan ， GUO Mingqun ， WANG Shaowu ， et al . Friendly HVDC transmission technologies for large-scale renewable energy and their engineering practice ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 22 ）： 1 - 8 .

高本锋，董涵枭，卢亚军，等 . 直驱风电场并网对直流输电引起的火电机组轴系扭振影响机理分析［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 7 ）： 1971 - 1984 .

GAO Benfeng ， DONG Hanxiao ， LU Yajun ， et al . Mechanism analysis of the influence of direct drive wind farm integration on SSTI of thermal generator caused by LCC-HVDC ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 7 ）： 1971 - 1984 .

LI Z X ， TANG B J ， SONG Q ， et al . Low-cost and compact asymmetrical unidirectional-current modular multilevel converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 3 ）： 3398 - 3411 .

RAO H ， ZHOU Y B ， XU S K ， et al . Key technologies of ultra-high voltage hybrid LCC-VSC MTDC systems ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2019 ， 5 （ 3 ）： 365 - 373 .

BLASCO-GIMENEZ R ， AÑÓ-VILLALBA S ， RODRÍGUEZ-D’DERLÉE J ， et al . Distributed voltage and frequency control of offshore wind farms connected with a diode-based HVDC link ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2010 ， 25 （ 12 ）： 3095 - 3105 .

CARDIEL-ÁLVAREZ M Á ， RODRIGUEZ-AMENEDO J L ， ARNALTES S ， et al . Modeling and control of LCC rectifiers for offshore wind farms connected by HVDC links ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2017 ， 32 （ 4 ）： 1284 - 1296 .

PRIGNITZ C ， ECKEL H G ， ACHENBACH S ， et al . FixReF： a control strategy for offshore wind farms with different wind turbine types and diode rectifier HVDC transmission ［C］// 2016 IEEE 7th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems （PEDG）， June 27-30 ， 2016 ， Vancouver， Canada ： 1 - 7 .

唐英杰，张哲任，徐政 . 基于二极管不控整流单元的远海风电低频交流送出方案［J］. 中国电力， 2020 ， 53 （ 7 ）： 44 - 54 .

TANG Yingjie ， ZHANG Zheren ， XU Zheng . Diode rectifier unit based LFAC transmission for offshore wind farm integration ［J］. Electric Power ， 2020 ， 53 （ 7 ）： 44 - 54 .

李明，赵峥，孟沛彧，等 . 适用于孤岛风电外送的LCC-DR混合型直流输电系统［J］. 电力建设， 2024 ， 45 （ 4 ）： 46 - 56 .

LI Ming ， ZHAO Zheng ， MENG Peiyu ， et al . A LCC-DR hybrid HVDC system topology suitable for island wind-power transmission ［J］. Electric Power Construction ， 2024 ， 45 （ 4 ）： 46 - 56 .

YU L J ， LI R ， XU L . Distributed PLL-based control of offshore wind turbines connected with diode-rectifier-based HVDC systems ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2018 ， 33 （ 3 ）： 1328 - 1336 .

肖晃庆，黄小威，李岩，等 . 适用于二极管不控整流送出的海上风电机组无功功率同步控制策略［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 10 ）： 3820 - 3828 .

XIAO Huangqing ， HUANG Xiaowei ， LI Yan ， et al . Reactive power-synchronization control for offshore wind turbines connected to diode rectifier ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 10 ）： 3820 - 3828 .

YU L J ， LI R ， XU L ， et al . Analysis and control of offshore wind farms connected with diode rectifier-based HVDC system ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2020 ， 35 （ 4 ）： 2049 - 2059 .

WANG K L ， SONG Q ， ZHAO B ， et al . Grid-forming control of offshore wind farms connected with diode-based HVDC links based on remote active power regulation ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2024 ， 15 （ 2 ）： 1315 - 1327 .

刘振亚 . 特高压交直流电网［M］. 北京：中国电力出版社， 2013 .

LIU Zhenya . Ultra-high voltage AC & DC grid ［M］. Beijing ： China Electric Power Press ， 2013 .

何秀强，耿华，杨耕，等 . 接入LCC-HVDC的双馈风电场孤岛启动与并网控制策略［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 9 ）： 99 - 107 .

HE Xiuqiang ， GENG Hua ， YANG Geng ， et al . Startup and integration control strategy of DFIG based isolated wind farm connected with LCC-HVDC ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 9 ）： 99 - 107 .

YOGARATHINAM A ， KAUR J ， CHAUDHURI N R . Impact of inertia and effective short circuit ratio on control of frequency in weak grids interfacing LCC-HVDC and DFIG based wind farms ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2017 ， 32 （ 4 ）： 2040 - 2051 .

郭小江，马世英，申洪，等 . 大规模风电直流外送方案与系统稳定控制策略［J］. 电力系统自动化， 2012 ， 36 （ 15 ）： 107 - 115 .

GUO Xiaojiang ， MA Shiying ， SHEN Hong ， et al . HVDC grid connection schemes and system stability control strategies for large-scale wind power ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2012 ， 36 （ 15 ）： 107 - 115 .

赵冬梅，徐辰宇，杜泽航，等 . 就地无常规电源支撑下考虑新能源基地频率稳定的储能优化配置方法［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2024-04-19 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230919 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230919 .

ZHAO Dongmei ， XU Chenyu ， DU Zehang ， et al . Optimization configuration method for energy storage considering frequency stability of new energy bases without conventional power supply support on site ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2024-04-19 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230919 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230919 .

王华伟，韩民晓，雷霄，等 . 火电机组直流孤岛系统频率控制分析与系统试验［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 1 ）： 139 - 148 .

WANG Huawei ， HAN Minxiao ， LEI Xiao ， et al . Frequency control analysis and system commissioning for thermal generation with HVDC islanded operation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 1 ）： 139 - 148 .

王渝红，赏成波，廖建权，等 . 适应风电接入的异步联网高压直流输电系统自适应调频控制策略［J］. 电力自动化设备， 2023 ， 43 （ 9 ）： 218 - 225 .

WANG Yuhong ， SHANG Chengbo ， LIAO Jianquan ， et al . Adaptive frequency modulation control strategy for asynchronous connected HVDC transmission system adapted to wind power access ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2023 ， 43 （ 9 ）： 218 - 225 .

李宽，黄强，吕学宾，等 . 抑制高压直流系统后续换相失败的定关断角控制改进方法［J］. 电力系统保护与控制， 2024 ， 52 （ 6 ）： 109 - 119 .

LI Kuan ， HUANG Qiang ， LÜ Xuebin ， et al . Enhanced extinction angle control for subsequent commutation failure mitigation in HVDC systems ［J］. Power System Protection and Control ， 2024 ， 52 （ 6 ）： 109 - 119 .

倪以信，陈寿孙，张宝霖 . 动态电力系统的理论和分析［M］. 北京：清华大学出版社， 2002 ： 199 - 200 .

NI Yixin ， CHEN Shousun ， ZHANG Baolin . Theory and analysis of dynamic power systems ［M］. Beijing ： Tsinghua University Press ， 2002 ： 199 - 200 .

HE J W ， LI Y W . Analysis， design， and implementation of virtual impedance for power electronics interfaced distributed generation ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2011 ， 47 （ 6 ）： 2525 - 2538 .

王炜宇，李勇，曹一家，等 . 基于虚拟调速器的多端直流虚拟同步机控制策略［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 12 ）： 3461 - 3470 .

WANG Weiyu ， LI Yong ， CAO Yijia ， et al . The virtual synchronous generator technology based on virtual governor for multi-terminal direct current system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 12 ）： 3461 - 3470 .

赵杨阳，柴建云，孙旭东 . 基于虚拟同步发电机的柔性虚拟调速器模型［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 10 ）： 8 - 15 .

ZHAO Yangyang ， CHAI Jianyun ， SUN Xudong . Flexible virtual governor model based on virtual synchronous generator ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 10 ）： 8 - 15 .

DARYABAK M ， FILIZADEH S ， JATSKEVICH J ， et al . Modeling of LCC-HVDC systems using dynamic phasors ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2014 ， 29 （ 4 ）： 1989 - 1998 .

俞露杰，付子玉，朱介北，等 . 远海风电DRU-HVDC送出系统构网控制与启动方法综述［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 24 ）： 63 - 79 .

YU Lujie ， FU Ziyu ， ZHU Jiebei ， et al . Review on grid-forming control and start-up method of diode-rectifier-unit based HVDC transmission system for remote offshore wind farm ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 24 ）： 63 - 79 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Inertia Support Method of Energy Storage Doubly-fed Condenser Based on Frequency-Rotor Speed Droop Control

Inertia Requirement of Power System: Concepts, Indexes, and Evaluation Method

Dynamic Inertia of Grid-connected Converter with Additional Frequency Control and Its Quantitative Evaluation

Related Author

WANG Kailun

SONG Qiang

ZHAO Biao

LIU Wenhua

YU Zhanqing

ZENG Rong

HUANG Haihong

WANG Guangya

Related Institution

Department of Electrical Engineering, Tsinghua University

School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology

State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources （North China Electric Power University）

State Grid Jibei Electric Power Co.， Ltd.

College of Electrical and Information Engineering, Hunan University

⁰