Modeling of Electromechanical Coupling Characteristics and Analysis of  Shaft Oscillation for Grid-forming Doubly-fed Wind Turbine

HUANG Xudong; HU Bin; ZHAO Zhijian; ZHAN Ling; ZHANG Zhenxiao; NIAN Heng

doi:10.7500/AEPS20241113002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Modeling of Electromechanical Coupling Characteristics and Analysis of Shaft Oscillation for Grid-forming Doubly-fed Wind Turbine

Basic Research | 更新时间：2026-02-28

- Modeling of Electromechanical Coupling Characteristics and Analysis of Shaft Oscillation for Grid-forming Doubly-fed Wind Turbine
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 23, Pages: 68-76(2025)
- 作者机构：
  
  1.浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027
  2.运达能源科技集团股份有限公司，浙江省杭州市 310012
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52325702);Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China(LMS25E070001);China Postdoctoral Science Foundation(2024T170766)
- DOI：10.7500/AEPS20241113002
  CLC：
- Received：13 November 2024，
  
  Revised：2025-04-06，
  
  Online First：24 October 2025，
  
  Published：10 December 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
黄旭东,胡彬,赵志坚等.构网型双馈风电机组机电耦合特性建模与轴系扭振分析[J].电力系统自动化,2025,49(23):68-76.

HUANG Xudong,HU Bin,ZHAO Zhijian,et al.Modeling of Electromechanical Coupling Characteristics and Analysis of Shaft Oscillation for Grid-forming Doubly-fed Wind Turbine[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(23):68-76.
黄旭东,胡彬,赵志坚等.构网型双馈风电机组机电耦合特性建模与轴系扭振分析[J].电力系统自动化,2025,49(23):68-76. DOI： 10.7500/AEPS20241113002.

HUANG Xudong,HU Bin,ZHAO Zhijian,et al.Modeling of Electromechanical Coupling Characteristics and Analysis of Shaft Oscillation for Grid-forming Doubly-fed Wind Turbine[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(23):68-76. DOI： 10.7500/AEPS20241113002.

摘要

采用构网(GFM)控制的双馈风电机组（GFM-DFIG)可以为弱电网提供主动支撑能力。然而，GFM控制会加剧机组机械结构与电网频率之间的耦合作用，增加轴系扭振的风险。目前，针对GFM-DFIG进行机电耦合特性建模时一方面没有考虑运行区域的影响，而运行区域的变化会直接影响有功指令，导致出现轴系扭振；另一方面，建模时通常忽略电流内环对转子电压的调节作用，而转子电压又会受到电流环和转速环的共同影响，改变轴系扭振的阻尼特性。为此，建立了电磁转矩和转速差的小信号模型，揭示了GFM控制参数、运行区域以及电流环参数对轴系阻尼的作用规律。分析结果表明，当GFM-DFIG切换运行区域时，会引发轴系扭振，仅调整GFM控制参数难以解决该问题，而通过优化电流环带宽，可以有效降低运行区域切换过程中轴系扭振的风险。最后，在硬件在环平台进行了实验验证。

Abstract

The doubly-fed wind turbine with grid-forming (GFM) control (GFM-DFIG) can provide active support capability for weak grids. However

GFM control will exacerbate the coupling effect between the mechanical structure of the doubly-fed wind turbine and the grid frequency

increasing the risk of shaft oscillation. At present

when modeling the electromechanical coupling characteristics of GFM-DFIG

on one hand

the influence of the operation region is not considered

and changes in the operation region will directly affect the active power command

resulting in shaft oscillation. On the other hand

when modeling

the regulation effect of the current inner loop on the rotor voltage is usually ignored

and the rotor voltage is affected by both the current loop and the speed loop

which changes the damping characteristics of the shaft oscillation. Therefore

this paper establishes a small-signal model of electromagnetic torque and speed difference

revealing the effects of GFM control parameters

operation region

and current loop parameters on shaft damping. The analysis results indicate that when GFM-DFIG switches operation regions

it will cause shaft oscillation

simply adjusting the GFM control parameters is difficult to solve this problem. Optimizing the current loop bandwidth can effectively reduce the risk of shaft oscillation during the operation region switching process. Finally

the experimental verification is conducted on the hardware-in-the-loop testing platform.

关键词

Keywords

references

李东东，张先明，姚寅，等 . 计及转子动能损失和风速相关性的风电场有效惯量估计［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 22 ）： 63 - 73 .

李海盼，年珩，胡彬，等 . 风电并网系统宽频振荡分析与抑制方法综述［J］. 新型电力系统， 2023 （ 3 ）： 237 - 255 .

LI Haipan ， NIAN Heng ， HU Bin ， et al . Review of analysis and suppression methods for wide-band oscillation in wind power grid-connected systems ［J］. New Type Power Systems ， 2023 （ 3 ）： 237 - 255 .

程静，苏乐，岳雷 . 双馈风电并网系统的宽频振荡机理分析与抑制［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 12 ）： 1 - 13 .

CHENG Jing ， SU Le ， YUE Lei . Mechanism analysis and suppression of broadband oscillation in a DFIG wind power grid-connected system ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 12 ）： 1 - 13 .

郑涛，颜景娴，王铭灏，等 . 励磁涌流对双馈式风力发电机组二次谐波特性的影响［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 9 ）： 3514 - 3522 .

ZHENG Tao ， YAN Jingxian ， WANG Minghao ， et al . Impact of inrush current on second harmonic characteristics of doubly fed induction generator ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 9 ）： 3514 - 3522 .

唐冰婕，迟永宁，田新首，等 . 基于阻抗模型闭环极点的双馈风电系统次同步振荡稳定性分析［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 3 ）： 871 - 880 .

TANG Bingjie ， CHI Yongning ， TIAN Xinshou ， et al . Stability analysis of subsynchronous oscillation in DFIG-based wind power system based on closed-loop poles of impedance model ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 3 ）： 871 - 880 .

RAHIMI M ， PARNIANI M . Grid-fault ride-through analysis and control of wind turbines with doubly fed induction generators ［J］. Electric Power Systems Research ， 2010 ， 80 （ 2 ）： 184 - 195 .

QI C ， QIN S Y ， MIAO F L ， et al . Test and assessment of grid forming wind turbine based on controller hardware-in-the-loop ［C］// 2021 IEEE 5th Conference on Energy Internet and Energy System Integration （EI2）， October 22-24 ， 2021 ， Taiyuan， China ： 2718 - 2723 .

张琛，李征，高强，等 . 双馈风电机组的不同控制策略对轴系振荡的阻尼作用［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 27 ）： 135 - 144 .

ZHANG Chen ， LI Zheng ， GAO Qiang ， et al . Damping effects on torsional oscillation of DFIG drive-chain using different control strategies ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 27 ）： 135 - 144 .

姚骏，曾欣，李嘉伟 . 并网双馈感应风电系统轴系振荡特性［J］. 电工技术学报， 2017 ， 32 （ 6 ）： 123 - 135 .

YAO Jun ， ZENG Xin ， LI Jiawei . Shaft oscillation characteristics of grid-connected doubly-fed induction generator-based wind power generation system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2017 ， 32 （ 6 ）： 123 - 135 .

ZHANG X J ， HE W ， HU J B . Impact of inertia control of DFIG-based WT on torsional vibration in drivetrain ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2020 ， 11 （ 4 ）： 2525 - 2534 .

XI X Z ， GENG H ， YANG G ， et al . Torsional oscillation damping control for DFIG-based wind farm participating in power system frequency regulation ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2018 ， 54 （ 4 ）： 3687 - 3701 .

詹长江，吴恒，王雄飞，等 . 构网型变流器稳定性研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 6 ）： 2339 - 2359 .

ZHAN Changjiang ， WU Heng ， WANG Xiongfei ， et al . An overview of stability studies of grid-forming voltage source converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 6 ）： 2339 - 2359 .

SHAH S ， GEVORGIAN V . Control， operation， and stability characteristics of grid-forming type Ⅲ wind turbines ［C］// 19th Wind Integration Workshop ， November 11-13 ， 2020 ， Ljubljana， Slovenia .

谢震，高翔，张悬光，等 . 弱电网下功率同步构网型DFIG的阻尼分析及转矩振荡抑制［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 11 ）： 29 - 38 .

XIE Zhen ， GAO Xiang ， ZHANG Xuanguang ， et al . Damping analysis and torque oscillation suppression of power synchronized grid-forming doubly-fed induction generator in weak grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 11 ）： 29 - 38 .

GAO X ， XIE Z ， LI M ， et al . Analysis and mitigation of electromechanical oscillations in drivetrain for hybrid synchronization control of DFIG-based wind turbines ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2024 ， 39 （ 3 ）： 3002 - 3013 .

许利通，程明，魏新迟，等 . 考虑损耗的无刷双馈风力发电系统功率反馈法最大功率点跟踪控制［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 3 ）： 472 - 480 .

XU Litong ， CHENG Ming ， WEI Xinchi ， et al . Power signal feedback control of maximum power point tracking control for brushless doubly-fed wind power generation system considering loss ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 3 ）： 472 - 480 .

韩应生，孙海顺，秦世耀，等 . 电压源型双馈风电并网系统小扰动低频稳定性分析［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 5 ）： 1312 - 1324 .

HAN Yingsheng ， SUN Haishun ， QIN Shiyao ， et al . Low frequency stability analysis of voltage-sourced doubly-fed wind power grid-connected system under small disturbance ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 5 ）： 1312 - 1324 .

邓桢彦，王伟，王晗，等 . 电压源风电机组的全风速段惯量响应控制［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （增刊1 ）： 12 - 25 .

DENG Zhenyan ， WANG Wei ， WANG Han ， et al . Inertia response control of voltage source wind turbines at full wind speed ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ S1 ）： 12 - 25 .

SUN L ， LIU K ， HU J B ， et al . Analysis and mitigation of electromechanical oscillations for DFIG wind turbines involved in fast frequency response ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 6 ）： 4547 - 4556 .

CHEN L ， DU X P ， HU B ， et al . Drivetrain oscillation analysis of grid forming type-Ⅳ wind turbine ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2022 ， 37 （ 4 ）： 2321 - 2337 .

杨从新，张志梅，王强，等 . 风剪切下塔影效应对水平轴风力机叶片及风轮气动载荷的影响［J］. 太阳能学报， 2022 ， 43 （ 8 ）： 253 - 259 .

YANG Congxin ， ZHANG Zhimei ， WANG Qiang ， et al . Influence of tower shadow effect on aerodynamic load of blade and rotor of horizontal axis wind turbines under wind shear ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2022 ， 43 （ 8 ）： 253 - 259 .

姜文玲，王勃，汪宁渤，等 . 基于风速衰减因子法的大型风电场尾流效应模拟方法研究［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 11 ）： 3499 - 3505 .

JIANG Wenling ， WANG Bo ， WANG Ningbo ， et al . A study of wake simulation method of large-scale wind farms based on wind attenuation factor ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 11 ）： 3499 - 3505 .

CAI S ， LI Y ， WANG W ， et al . Modelling and cross-timescale mechanism analysis of voltage control impact on electromechanical dynamics of VSG-controlled DFIG-based WT ［J/OL］. IEEE Transactions on Energy Conversion ［ 2025-03-01 ］. https：//ieeexplore.ieee.org/document/10721614 https://ieeexplore.ieee.org/document/10721614 .

朱东海，邹旭东，胡家兵，等 . 双馈风电机组无撬棒故障穿越技术研究综述［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 19 ）： 4895 - 4910 .

ZHU Donghai ， ZOU Xudong ， HU Jiabing ， et al . Review of crowbarless fault ride through technology for doubly-fed induction generator-based wind turbines ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 19 ）： 4895 - 4910 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Generic Electromagnetic Transient Modeling for Fault Ride-through of Doubly-fed Wind Turbines Based on Power Outer-loop Control

Harmonic Current Suppression Method for Grid-connected Virtual Synchronous Generator Based on Quasi-harmonic Voltage Drop Feedforward

Adaptive Linear Quadratic Gaussian Primary Frequency Regulation Control Strategy for Doubly-fed Wind Turbines Considering Fatigue Loads

Related Author

ZHU Darui

CHENG Jiakang

DUAN Jiandong

CHEN Jie

DENG Jun

HUANG Haihong

WANG Guangya

WANG Haixin

Related Institution

Electric Power Research Institute of State Grid Shaanxi Electric Power Co., Ltd.

School of Electrical Engineering, Xi’an University of Technology

School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology

School of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology

Hebei Key Laboratory of Distributed Energy Storage and Microgrid (North China Electric Power University)

⁰