Capacity Configuration of Grid-forming-Grid-following Wind Turbines in Diode Rectifier Unit-High Voltage DC Offshore Wind Power Transmission System

YU Lujie; WANG Zhiyuan; ZHU Jiebei; TONG Wenhao; LI Rui

doi:10.7500/AEPS20250123004

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Capacity Configuration of Grid-forming-Grid-following Wind Turbines in Diode Rectifier Unit-High Voltage DC Offshore Wind Power Transmission System

Key Technologies for Offshore Wind Power System | 更新时间：2025-09-25

- Capacity Configuration of Grid-forming-Grid-following Wind Turbines in Diode Rectifier Unit-High Voltage DC Offshore Wind Power Transmission System
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 17, Pages: 44-55(2025)
- 作者机构：
  
  1.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津市 300072
  2.天津大学佐治亚理工深圳学院，广东省深圳市 518055
  3.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江省哈尔滨市 150001
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Key R&D Program of China(2022YFB4200703);Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2022A1515240055);National Natural Science Foundation of China(52207132)
- DOI：10.7500/AEPS20250123004
  CLC：
- Received：23 January 2025，
  
  Revised：2025-05-15，
  
  Published Online：09 July 2025，
  
  Published：10 September 2025
- 稿件说明：
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俞露杰,王志远,朱介北等.海上风电DRU-HVDC送出系统构网-跟网型风机容量配置[J].电力系统自动化,2025,49(17):44-55.

YU Lujie,WANG Zhiyuan,ZHU Jiebei,et al.Capacity Configuration of Grid-forming-Grid-following Wind Turbines in Diode Rectifier Unit-High Voltage DC Offshore Wind Power Transmission System[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(17):44-55.
俞露杰,王志远,朱介北等.海上风电DRU-HVDC送出系统构网-跟网型风机容量配置[J].电力系统自动化,2025,49(17):44-55. DOI： 10.7500/AEPS20250123004.

YU Lujie,WANG Zhiyuan,ZHU Jiebei,et al.Capacity Configuration of Grid-forming-Grid-following Wind Turbines in Diode Rectifier Unit-High Voltage DC Offshore Wind Power Transmission System[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(17):44-55. DOI： 10.7500/AEPS20250123004.

摘要

为提高基于二极管整流单元(DRU)的高压直流输电系统在海上风电送出场景下的可靠性与经济性，构网(GFM)-跟网(GFL)混合型风电场逐渐受到关注。针对风电场中GFM-GFL混合型风电机组(WT)的容量配置问题，首先，论证了GFL型风电场经DRU并网系统的平衡点存在性以及小扰动稳定性，并指出电压/频率波动大是其主要矛盾；然后，分析了GFM-GFL混合型风电场经DRU并网系统的运行特性，并阐释了GFM型WT稳定系统电压/频率的机制；进一步，分别提出了考虑静态稳定和小扰动稳定约束的GFM型WT与DRU无功补偿联合配置方法；最后，通过基于PSCAD/EMTDC的时域仿真模型验证了所提配置方案的有效性和可行域边界的准确性。

Abstract

To enhance the reliability and economy of high-voltage direct current (HVDC) transmission systems based on diode rectifier units (DRUs) for offshore wind power transmission

grid-forming (GFM) and grid-following (GFL) hybrid wind farms are gaining increasing attention. Regarding the capacity configuration issue of GFM-GFL wind turbines (WTs) in the hybrid wind farm

firstly

the existence of the equilibrium point and the small-signal stability of the grid-connected system of GFL wind farm through the DRU are demonstrated

and it is pointed out that the large voltage/frequency fluctuations are the key factors. Then

the operation characteristics of the grid-connected system of GFM-GFL hybrid wind farm through the DRU are analyzed

and the voltage/frequency mechanism of the GFM WT stable system is explained. Further

joint configuration methods of GFM WT and DRU reactive power compensation considering static stability and small-signal stability constraints are proposed. Finally

the validity of the proposed configuration scheme and the accuracy of the feasible region boundary are verified through the time-domain simulation model based on PSCAD/EMTDC.

关键词

Keywords

references

蔡旭，杨仁炘，周剑桥，等 . 海上风电直流送出与并网技术综述［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 21 ）： 2 - 22 .

CAI Xu ， YANG Renxin ， ZHOU Jianqiao ， et al . Review on offshore wind power integration via DC transmission ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 21 ）： 2 - 22 .

李瑞，郑涛，俞露杰，等 . 基于二极管整流器的双极型复合式海上换流站及其控制策略［J］. 电网技术， 2024 ， 48 （ 3 ）： 1190 - 1203 .

LI Rui ， ZHENG Tao ， YU Lujie ， et al . Diode rectifier based bi-pole hybrid offshore stations and their control strategy ［J］. Power System Technology ， 2024 ， 48 （ 3 ）： 1190 - 1203 .

SEMAN S ， TRINH N T ， ZUROWSKI R ， et al . Modelling of the diode-rectifier based HVDC transmission solution for large offshore wind power plants grid access ［C］// International Workshop on Large-scale Integration of Wind Power into Power Systems ， October 17-18 ， 2016 ， Vienna， Austria .

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 .

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 .

ZHANG Z R ， TANG Y J ， XU Z . Medium frequency diode rectifier unit based HVDC transmission for offshore wind farm integration ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2021 ， 15 （ 4 ）： 717 - 730 .

TANG Y J ， ZHANG Z R ， XU Z . DRU based low frequency AC transmission scheme for offshore wind farm integration ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2021 ， 12 （ 3 ）： 1512 - 1524 .

PRIGNITZ C ， ECKEL H G ， KNAAK H J . Voltage and current behavior in a FixReF controlled offshore wind farm using a HVDC transmission system based on uncontrolled diode rectifier units ［C］// 2016 18th European Conference on Power Electronics and Applications ， September 5-9 ， 2016 ， Karlsruhe， Germany .

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 .

CARDIEL-ÁLVAREZ M Á ， ARNALTES S ， RODRIGUEZ-AMENEDO J L ， et al . Decentralized control of offshore wind farms connected to diode-based HVDC links ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2018 ， 33 （ 3 ）： 1233 - 1241 .

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 .

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 .

XIAO H Q ， HUANG X W ， HUANG Y ， et al . Self-synchronizing control and frequency response of offshore wind farms connected to diode rectifier based HVDC system ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2022 ， 13 （ 3 ）： 1681 - 1692 .

ZHANG Z R ， JIN Y Q ， XU Z . Grid-forming control of wind turbines for diode rectifier unit based offshore wind farm integration ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2023 ， 38 （ 2 ）： 1341 - 1352 .

ROSCOE A ， KNUEPPEL T ， DA SILVA R ， et al . Response of a grid forming wind farm to system events， and the impact of external and internal damping ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2020 ， 14 （ 19 ）： 3908 - 3917 .

河北康保：全省首个老旧风场“上大压小”改造项目首台机组成功并网运行［EB/OL］.［ 2024-10-23 ］. http：//he.people.com.cn/n2/2024/1023/c192235-41016661.html http://he.people.com.cn/n2/2024/1023/c192235-41016661.html .

Hebei Kangbao： the province’s first old wind farm “on the large pressure small” transformation project first wind turbine successfully connected to the grid ［EB/OL］. ［ 2024-10-23 ］. http：//he.people.com.cn/n2/2024/1023/c192235-41016661.html http://he.people.com.cn/n2/2024/1023/c192235-41016661.html .

李岩 . 高压大容量紧凑化海上风电送出新技术与挑战［R］. 南京：南方电网科学研究院， 2023 .

LI Yan . New technologies and challenges of high-voltage， large-capacity， and compact offshore wind power transmission ［R］. Nanjing ： China Southern Power Grid Electric Power Research Institute ， 2023 .

唐巍，郭雨桐，闫姝，等 . 多场景海上风电场关键设备技术经济性分析［J］. 中国电力， 2021 ， 54 （ 7 ）： 178 - 184 .

TANG Wei ， GUO Yutong ， YAN Shu ， et al . Techno-economic analysis of key equipment for offshore wind farms with multiple scenarios ［J］. Electric Power ， 2021 ， 54 （ 7 ）： 178 - 184 .

MARTÍNEZ-TURÉGANO J ， AÑÓ-VILLALBA S ， BERNAL-PEREZ S ， et al . Small-signal stability and fault performance of mixed grid forming and grid following offshore wind power plants connected to a HVDC-diode rectifier ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2020 ， 14 （ 12 ）： 2166 - 2175 .

JIN Y Q ， ZHANG Z R ， XU Z . Proportion of grid-forming wind turbines in hybrid GFM-GFL offshore wind farms integrated with diode rectifier unit based HVDC system ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2025 ， 13 （ 1 ）： 87 - 101 .

BLASCO-GIMENEZ R ， APARICIO N ， ANO-VILLALBA S ， et al . LCC-HVDC connection of offshore wind farms with reduced filter banks ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2013 ， 60 （ 6 ）： 2372 - 2380 .

YU L J ， MIAO S H ， ZHU J B ， et al . Self-synchronization control of offshore wind turbines connected with DRU-HVDC ［J/OL］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ［ 2024-11-17 ］. https：//ieeexplore.ieee.org/document/10322693 https://ieeexplore.ieee.org/document/10322693 .

YU L J ， XU L ， ZHU J B ， et al . Impedance modelling and stability analysis of diode-rectifier based HVDC connected offshore wind farms ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2022 ， 37 （ 1 ）： 591 - 602 .

张哲任，金砚秋，徐政 . 两种基于构网型风机和二极管整流单元的海上风电送出方案［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 6 ）： 2098 - 2107 .

ZHANG Zheren ， JIN Yanqiu ， XU Zheng . Two offshore wind farm integration schemes based on grid forming wind turbines and diode rectifier unit ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 6 ）： 2098 - 2107 .

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 .

国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 . 电能质量电力系统频率偏差： GB/T 15945—2008 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2008 .

General Administration of Quality Supervision ， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China ， Standardization Administration of the People’s Republic of China . Power quality—frequency deviation for power system ： GB/T 15945—2008 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2008 .

张斌，张学广，徐殿国 . 构网型与跟网型变流器混联并网系统配比关键影响因素分析［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 1 ）： 47 - 58 .

ZHANG Bin ， ZHANG Xueguang ， XU Dianguo . Analysis on key influence factors of ratio of grid-forming and grid-following converters in hybrid parallel grid-connected system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 1 ）： 47 - 58 .

苟少云，郭春义 . 构网型与跟网型混合直驱风电场并网稳定域分析［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 2 ）： 73 - 83 .

GOU Shaoyun ， GUO Chunyi . Grid-connection stability domain analysis for wind farms with hybrid direct-drive grid-forming and grid-following wind turbines ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 2 ）： 73 - 83 .

蒙昌鑫，王延旭，王威儒，等 . 跟网/构网型控制交互下换流器中频特性分析及振荡抑制［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 7 ）： 68 - 79 .

MENG Changxin ， WANG Yanxu ， WANG Weiru ， et al . Medium-frequency characteristic analysis and oscillation suppression of converter with interaction between grid-following and grid-forming control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 7 ）： 68 - 79 .

桑顺，张琛，蔡旭，等 . 计及内、外部交互模态的电压源型风电场-电网稳定性量化分析［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 7 ）： 2840 - 2853 .

SANG Shun ， ZHANG Chen ， CAI Xu ， et al . Quantitative analysis of the voltage-source-type wind farm-weak grid’s stability considering the internal and external interaction modes ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 7 ）： 2840 - 2853 .

于浩天，蔡旭，杨仁炘，等 . 经DRU-HVDC送出的海上风电场汇集网电气调节特性分析及集群构网控制策略［J］. 中国电机工程学报， 2025 ， 45 （ 6 ）： 2318 - 2335 .

YU Haotian ， CAI Xu ， YANG Renxin ， et al . Analysis of electrical regulation characteristics and group grid-forming control strategy of DRU-HVDC integrated offshore wind farm ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2025 ， 45 （ 6 ）： 2318 - 2335 .

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