Analysis and Optimization of Active Power and Frequency Support Capability for Static Self-synchronous Compensator in Wind Farm

CHEN Jikai; ZHANG Jiayang; LI Haoru; CHU Zhuang; ZHANG Liwei; LIU Hongpeng

doi:10.7500/AEPS20241106007

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Analysis and Optimization of Active Power and Frequency Support Capability for Static Self-synchronous Compensator in Wind Farm

Grid-forming Technology | 更新时间：2026-02-28

- Analysis and Optimization of Active Power and Frequency Support Capability for Static Self-synchronous Compensator in Wind Farm
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 22, Pages: 68-78(2025)
- 作者机构：
  
  现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学），吉林省吉林市132012
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52077030)
- DOI：10.7500/AEPS20241106007
  CLC：
- Received：06 November 2024，
  
  Revised：2025-01-23，
  
  Online First：09 April 2025，
  
  Published：25 November 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
陈继开,张嘉扬,李浩茹等.风电场静止同步调相机有功功率-频率支撑能力分析与优化[J].电力系统自动化,2025,49(22):68-78.

CHEN Jikai,ZHANG Jiayang,LI Haoru,et al.Analysis and Optimization of Active Power and Frequency Support Capability for Static Self-synchronous Compensator in Wind Farm[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(22):68-78.
陈继开,张嘉扬,李浩茹等.风电场静止同步调相机有功功率-频率支撑能力分析与优化[J].电力系统自动化,2025,49(22):68-78. DOI： 10.7500/AEPS20241106007.

CHEN Jikai,ZHANG Jiayang,LI Haoru,et al.Analysis and Optimization of Active Power and Frequency Support Capability for Static Self-synchronous Compensator in Wind Farm[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(22):68-78. DOI： 10.7500/AEPS20241106007.

摘要

针对风电场区域系统转动惯量不足且快速频率支撑手段缺乏的问题，利用对风电场自备高压直挂式跟网型静止无功发生器的构网型改造，实现对风电场有功功率-频率和无功功率-电压双目标支撑成为一个新的研究热点。首先，文中以配置超级电容的静止同步调相机为研究对象，分析了关键控制和电气参数变化对静止同步调相机功角相空间演化过程的影响。然后，阐明了等效惯量、超级电容容值与有功功率-频率支撑能力三者之间的约束关系。继而，通过分析导致静止同步调相机双目标控制矛盾的本质原因，提出一种基于超级电容荷电状态的有功滞环控制模式切换策略，在保证无功补偿能力的前提下，提升了静止同步调相机有功功率-频率支撑能力。最后，仿真算例验证了理论分析的正确性和所提策略的有效性。

Abstract

Given the insufficient inertia and the lack of fast frequency support measures in wind power regional systems

it has become a new research focus to realize dual target support of active power-frequency and reactive power-voltage for wind farms by using the grid-forming transformation of self-provided high voltage direct-hanging grid-following static var generator in the wind farm. First

taking the static self-synchronous compensator with the supercapacitor as the research object

this paper analyzes the influence of key control and electrical parameter changes on the phase space variation process of the power angle of the static self-synchronous compensator. Then

the constraint relationship among equivalent inertia

supercapacitor capacitance and active power-frequency support capability is clarified. Moreover

by analyzing the essential reasons for the dual-objective control contradiction of the static self-synchronous compensator

a switching strategy for active power hysteresis control modes based on the state of charge of the supercapacitor is proposed

which improves the active power-frequency support capability for the static self-synchronous compensator on the premise of ensuring the reactive power compensation. Finally

simulation cases verify the correctness of the theoretical analysis and the effectiveness of the proposed strategy.

关键词

Keywords

references

刘永奇，陈龙翔，韩小琪 . 能源转型下我国新能源替代的关键问题分析［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 2 ）： 515 - 524 .

LIU Yongqi ， CHEN Longxiang ， HAN Xiaoqi . The key problem analysis on the alternative new energy under the energy transition ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 2 ）： 515 - 524 .

赵冬梅，宋晨铭，冯向阳，等 . 100%新能源场景下考虑频率稳定约束的源网荷储一体化系统储能优化配置［J/OL］. 电工技术学报［ 2024-09-28 ］. https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.240444 https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.240444 .

ZHAO Dongmei ， SONG Chenming ， FENG Xiangyang ， et al . Optimized energy storage configuration of source-grid-load-storage integrated system considering frequency stability constraints in 100 % new energy scenario ［J/OL］. Transactions of China Electrotechnical Society ［ 2024-08-04 ］. https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.240444 https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.240444 .

林俐，马笑寒，丁文敏 . 计及构网型储能电站的新能源基地无功协调优化控制［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 1 ）： 59 - 68 .

LIN Li ， MA Xiaohan ， DING Wenmin . Coordinated optimal reactive power control of renewable energy base considering grid-forming energy storage station ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 1 ）： 59 - 68 .

LI Y J ， XU Z ， WONG K P . Advanced control strategies of PMSG-based wind turbines for system inertia support ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 4 ）： 3027 - 3037 .

黄萌，凌扬坚，耿华，等 . 功率同步控制的构网型变流器多机交互分析与稳定控制研究综述［J］. 高电压技术， 2023 ， 49 （ 11 ）： 4571 - 4583 .

HUANG Meng ， LING Yangjian ， GENG Hua ， et al . An overview on multi-VSCs interaction analysis and stability controls of grid-forming converters with power synchronization control ［J］. High Voltage Engineering ， 2023 ， 49 （ 11 ）： 4571 - 4583 .

FU S Q ， SUN Y ， LI L ， et al . Power oscillation suppression of multi-VSG grid via decentralized mutual damping control ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2022 ， 69 （ 10 ）： 10202 - 10214 .

XUE T ， ZHANG J F ， BU S Q . Inter-area oscillation analysis of power system integrated with virtual synchronous generators ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2024 ， 39 （ 3 ）： 1761 - 1773 .

ZARIFAKIS M ， COFFEY W T ， KALMYKOV Y P ， et al . Active damping of power oscillations following frequency changes in low inertia power systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 6 ）： 4984 - 4992 .

ZARIFAKIS M ， BYRNE D J ， COFFEY W T ， et al . Comparison of coupled nonlinear oscillator models for the transient response of power generating stations connected to low inertia systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 795 - 802 .

WANG W Y ， JIANG L ， CAO Y J ， et al . A parameter alternating VSG controller of VSC-MTDC systems for low frequency oscillation damping ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 4609 - 4621 .

张家玮，张琛，史先强，等 . 储能型静止无功发生装置及其自同步电压源控制［J］. 高电压技术， 2023 ， 49 （ 1 ）： 61 - 71 .

ZHANG Jiawei ， ZHANG Chen ， SHI Xianqiang ， et al . Energy-storage-type static var generator and its autonomous-synchronization voltage source control ［J］. High Voltage Engineering ， 2023 ， 49 （ 1 ）： 61 - 71 .

吉春宇，张懿夫 . 世界首套静止同步调相机首次人工短路试验完成［N］. 国家电网报， 2024-05-20 （2）.

JI Chunyu ， ZHANG Yifu . The world’s first static self-synchronous compensator has completed the first artificial short circuit test ［N］. State Grid News ， 2024-05-20 （2）.

刘倪，张昌华，廖丽，等 . 计及无功电压环节的VSG虚拟转矩及振荡失稳机理分析［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 6 ）： 107 - 115 .

LIU Ni ， ZHANG Changhua ， LIAO Li ， et al . Analysis on virtual torque and oscillation instability mechanism of virtual synchronous generator with reactive power-voltage controller ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 6 ）： 107 - 115 .

SHUAI Z K ， SHEN C ， LIU X ， et al . Transient angle stability of virtual synchronous generators using Lyapunov’s direct method ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 4 ）： 4648 - 4661 .

CHEN S M ， SUN Y ， HOU X C ， et al . Quantitative parameters design of VSG oriented to transient synchronization stability ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2023 ， 38 （ 5 ）： 4978 - 4981 .

杨万里，涂春鸣，肖凡，等 . 面向频率稳定性提升的VSG暂态稳定性增强方法［J］. 中国电机工程学报， 2025 ， 45 （ 1 ）： 52 - 66 .

YANG Wanli ， TU Chunming ， XIAO Fan ， et al . Transient stability enhancement method of VSG with frequency stability improvement ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2025 ， 45 （ 1 ）： 52 - 66 .

YANG Y Q ， LI C ， XU J Z ， et al . Virtual inertia control strategy for improving damping performance of DC microgrid with negative feedback effect ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 2 ）： 1241 - 1257 .

杨飞，陈燕东，符有泽，等 . 直驱风电场中SVG电压前馈阻抗重构抑制次/超同步振荡方法［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 8 ）： 153 - 159 .

YANG Fei ， CHEN Yandong ， FU Youze ， et al . SVG voltage feedforward impedance reconstruction method for suppressing sub-/super-synchronous oscillation in D-PMSGs based wind farm ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 8 ）： 153 - 159 .

杨效，曾成碧，赖辉，等 . 弱电网下基于谐波状态空间模型的光储-虚拟同步发电机稳定性分析与优化控制研究［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 16 ）： 34 - 47 .

YANG Xiao ， ZENG Chengbi ， LAI Hui ， et al . A stability analysis method and optimal control of a photovoltaic energy storage-virtual synchronous generator based on a harmonic state space model in a weak grid ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 16 ）： 34 - 47 .

CHEN J K ， ZHANG J Y ， YANG L ， et al . High frequency oscillation energy propagation in MMC-HVDC receiving-end converter station ［C］// 2023 IEEE 2nd International Power Electronics and Application Symposium （PEAS）， November 10-13 ， 2023 ， Guangzhou， China ： 576 - 580 .

OUYANG J X ， TANG T ， YAO J ， et al . Active voltage control for DFIG-based wind farm integrated power system by coordinating active and reactive powers under wind speed variations ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2019 ， 34 （ 3 ）： 1504 - 1511 .

PAN D H ， WANG X F ， LIU F C ， et al . Transient stability of voltage-source converters with grid-forming control： a design-oriented study ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2020 ， 8 （ 2 ）： 1019 - 1033 .

朱介北，史美琦，张利，等 . 基于超级电容的海上风电柔直送出系统协调惯量支撑策略［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 8 ）： 2938 - 2952 .

ZHU Jiebei ， SHI Meiqi ， ZHANG Li ， et al . Supercapacitor-based coordinated inertia support strategy for offshore wind farms integration via VSC-HVDC ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 8 ）： 2938 - 2952 .

QI Y ， DENG H ， LIU X ， et al . Synthetic inertia control of grid-connected inverter considering the synchronization dynamics ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 1411 - 1421 .

火力发电机组一次调频试验及性能验收导则： GB/T 30370—2022 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2022 .

Guide of primary frequency control test and performance acceptance for thermal power generating units ： GB/T 30370—2022 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2022 .

并网电源一次调频技术规定及试验导则： GB/T 40595—2021 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2021 .

Guide for technology and test on primary frequency control of grid-connected power resource ： GB/T 40595—2021 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2021 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Multi-period Uncertainty Set Modeling Method for Wind Farms Applicable to Robust Control

Test Analysis and Application Discussion on Active Frequency Support Capability of Renewable Energy in East China Power Grid

Heterogeneous Computing-based Refined and High-efficiency Simulation Technology for Large-scale Wind Farms

Online Identification of Weak Points in Multi-level Oscillation of Wind Farm Grid-connected System Under Gray-box of Wind Turbine Parameters

Related Author

CHEN Jikai

ZHANG Jiayang

LI Haoru

QIE Zhaohui

FU Linbo

JIANG Tao

LI Wei

LI Zhaowei

Related Institution

Key Laboratory of Modern Electric Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology, Ministry of Education (Northeast Electric Power University)

State Grid Electric Power Research Institute (NARI Group Corporation)

East China Branch of State Grid Corporation of China

School of Electrical Engineering, Shandong University

State Grid Henan Electric Power Research Institute

⁰