稳定边界及多目标约束下自同步电压源双馈风电机组参数整定

徐思莹; 王晗; 曹云峰; 王伟; 杨冬梅; 蔡旭

doi:10.7500/AEPS20221027002

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稳定边界及多目标约束下自同步电压源双馈风电机组参数整定

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 稳定边界及多目标约束下自同步电压源双馈风电机组参数整定
- Parameter Tuning for Self-synchronous Voltage Source Doubly-fed Wind Turbines with Stability Boundary and Multi-objective Constraint
- 电力系统自动化 2023年47卷第11期页码：18-28
- 作者机构：
  
  1.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学),上海市 200240
  2.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏省南京市 211106
- 作者简介：
  
  徐思莹(1998—)，女，博士研究生，主要研究方向：可再生能源发电与并网控制。E-mail：xsy777@sjtu.edu.cn
  王晗(1982—)，男，博士，助理研究员，主要研究方向：电力电子变换控制、可再生能源发电与并网控制。E-mail：wanghansjtu@sjtu.edu.cn
  曹云峰(1977—)，男，博士后，助理研究员，主要研究方向：变速恒频风力发电系统电气控制及智能控制。E-mail：yunfeng.cao@163.com
  蔡旭(1964—)，男，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：可再生能源功率变换与并网发电技术、大功率电力电子与电力系统控制。E-mail：xucai@sjtu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2022YFB2402703)
- DOI：10.7500/AEPS20221027002
  中图分类号：
- 收稿：2022-10-27，
  
  修回：2023-03-04，
  
  纸质出版：2023-06-10
- 稿件说明：
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徐思莹,王晗,曹云峰等.稳定边界及多目标约束下自同步电压源双馈风电机组参数整定[J].电力系统自动化,2023,47(11):18-28.

XU Siying,WANG Han,CAO Yunfeng,et al.Parameter Tuning for Self-synchronous Voltage Source Doubly-fed Wind Turbines with Stability Boundary and Multi-objective Constraint[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(11):18-28.
徐思莹,王晗,曹云峰等.稳定边界及多目标约束下自同步电压源双馈风电机组参数整定[J].电力系统自动化,2023,47(11):18-28. DOI： 10.7500/AEPS20221027002.

XU Siying,WANG Han,CAO Yunfeng,et al.Parameter Tuning for Self-synchronous Voltage Source Doubly-fed Wind Turbines with Stability Boundary and Multi-objective Constraint[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(11):18-28. DOI： 10.7500/AEPS20221027002.

摘要

自同步电压源双馈风电机组采用“机侧惯量传递-网侧惯性同步”的控制方法，具备自主同步并网和惯量响应的能力，目前缺乏对该控制方法并网稳定性及多目标约束下参数优化设计的研究和分析。鉴于此，建立了同时考虑自同步电压源双馈风电系统网侧变换器和转子侧变换器动态的状态空间模型，分析了在不同电网强度下惯量传递环节及致稳环节的控制参数对中高频段小扰动稳定性的影响规律，给出了考虑机组不同工作点及动态性能的控制参数多目标优化模型，并采用粒子群优化算法对控制参数进行全局优化。在PSCAD/EMTDC中构建了2 MW双馈风电机组的仿真模型，仿真结果验证了理论分析和参数设计的正确性。

Abstract

The self-synchronous voltage source doubly-fed wind turbines adopt the control method of “inertia transmission on the rotor side-inertia synchronization on the grid side”， which has the ability of autonomously synchronous grid-connection and inertia response. There is currently a lack of research and analysis on the grid-connected stability of this control method and optimal parameter design with multi-objective constraint. In view of this

a state-space model considering the dynamics of the grid-side converter and the rotor-side converter for the self-synchronous voltage source doubly-fed wind power system is constructed. Under different power grid intensities

the influence law of the control parameters of the inertia transfer link and the stabilization link on the small-signal stability in the middle and high frequency bands is analyzed. A multi-objective optimization model of control parameters considering different operation points and dynamic performances of the unit is given

and a global optimization of the control parameters is performed by using the particle swarm optimization algorithm. The simulation model of a 2 MW doubly-fed wind turbine is constructed in PSCAD/EMTDC

and the simulation results verify the correctness of the theoretical analysis and parameter design.

关键词

Keywords

references

王杨，宋子宏，占颖，等 . 风电并网系统次同步振荡监测装置优化配置方法［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 13 ）： 141 - 150 .

WANG Yang ， SONG Zihong ， ZHAN Ying ， et al . Optimal placement method for subsynchronous oscillation monitoring devices in grid-connected wind power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 13 ）： 141 - 150 .

WANG L ， XIE X R ， JIANG Q R ， et al . Investigation of SSR in practical DFIG-based wind farms connected to a series-compensated power system ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2015 ， 30 （ 5 ）： 2772 - 2779 .

刘巨，姚伟，文劲宇 . 考虑PLL和接入电网强度影响的双馈风机小干扰稳定性分析与控制［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 11 ）： 3162 - 3173 .

LIU Ju ， YAO Wei ， WEN Jinyu . Small signal stability analysis and control of double-fed induction generator considering influence of PLL and power grid strength ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 11 ）： 3162 - 3173 .

张学广，马彦，王天一，等 . 弱电网下双馈发电机输入导纳建模及稳定性分析［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 5 ）： 1507 - 1516 .

ZHANG Xueguang ， MA Yan ， WANG Tianyi ， et al . Input admittance modeling and stability analysis of DFIG under weak grid condition ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 5 ）： 1507 - 1516 .

潘尔生，王智冬，王栋，等 . 基于锁相环同步控制的双馈风机弱电网接入稳定性分析［J］. 高电压技术， 2020 ， 46 （ 1 ）： 170 - 178 .

PAN Ersheng ， WANG Zhidong ， WANG Dong ， et al . Stability analysis of phase-locked loop synchronized DFIGs in weak grids ［J］. High Voltage Engineering ， 2020 ， 46 （ 1 ）： 170 - 178 .

LIU J ， YAO W ， WEN J Y ， et al . Impact of power grid strength and PLL parameters on stability of grid-connected DFIG wind farm ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2020 ， 11 （ 1 ）： 545 - 557 .

张进，李少林，王伟胜，等 . 双馈风电机组虚拟惯量控制量化分析与参数优化整定［J/OL］. 电网技术［ 2022-11-29 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20180514.1522.014.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20180514.1522.014.html .

ZHANG Jin ， LI Shaolin ， WANG Weisheng ， et al . Quantitative analysis and parameter optimization of virtual inertia control for doubly fed wind turbine ［J/OL］. Power System Technology ［ 2022-11-29 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20180514.1522.014.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20180514.1522.014.html .

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 .

雷添翔，律方成，刘教民，等 . 双馈风力发电机组惯量阻尼特性与改进附加频率控制策略［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 4 ）： 190 - 196 .

LEI Tianxiang ， LÜ Fangcheng ， LIU Jiaomin ， et al . Inertia and damping characteristics of DFIG and improved additional frequency control strategy ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 4 ）： 190 - 196 .

李军徽，高卓，李翠萍，等 . 基于动态任务系数的储能辅助风电一次调频控制策略［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 19 ）： 52 - 59 .

LI Junhui ， GAO Zhuo ， LI Cuiping ， et al . Control strategy for dynamic task coefficient based primary frequency regulation of wind power assisted by energy storage ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 19 ）： 52 - 59 .

ZHONG Q ， MA Z ， MING W ， et al . Grid-friendly wind power systems based on the synchronverter technology ［J］. Energy Conversion and Management ， 2014 ， 89 ： 719 - 726 .

WU W H ， ZHOU L M ， CHEN Y D ， et al . Sequence-impedance-based stability comparison between VSGs and traditional grid-connected inverters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 1 ）： 46 - 52 .

XU Y Y ， NIAN H ， HU B ， et al . Impedance modeling and stability analysis of VSG controlled type-Ⅳ wind turbine system ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2021 ， 36 （ 4 ）： 3438 - 3448 .

WANG S ， HU J B ， YUAN X M ， et al . On inertial dynamics of virtual-synchronous-controlled DFIG-based wind turbines ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2015 ， 30 （ 4 ）： 1691 - 1702 .

MI D K ， WANG T ， GAO M Y ， et al . Small signal stability analysis of PMSG-VSG and optimal design for control parameters ［C］// 2020 IEEE Power & Energy Society General Meeting （PESGM）， August 2-6 ， 2020 ， Montreal， Canada ： 1 - 5 .

张琛，蔡旭，李征 . 具有自主电网同步与弱网稳定运行能力的双馈风电机组控制方法［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 2 ）： 476 - 486 .

ZHANG Chen ， CAI Xu ， LI Zheng . Control of DFIG-based wind turbines with the capability of automatic grid-synchronization and stable operation under weak grid condition ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 2 ）： 476 - 486 .

邵昊舒，蔡旭，周党生，等 . 风电机组虚拟同步及惯量控制方法分析与测试评估［J］. 高电压技术， 2020 ， 46 （ 5 ）： 1528 - 1537 .

SHAO Haoshu ， CAI Xu ， ZHOU Dangsheng ， et al . Analysis and test evaluation of VSG and virtual inertia control method for wind turbine ［J］. High Voltage Engineering ， 2020 ， 46 （ 5 ）： 1528 - 1537 .

SANG S ， ZHANG C ， CAI X ， et al . Control of a type-Ⅳ wind turbine with the capability of robust grid-synchronization and inertial response for weak grid stable operation ［J］. IEEE Access ， 2019 ， 7 ： 58553 - 58569 .

桑顺，张琛，蔡旭，等 . 全功率变换风电机组的电压源控制：（一）控制架构与弱电网运行稳定性分析［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 16 ）： 5604 - 5616 .

SANG Shun ， ZHANG Chen ， CAI Xu ， et al . Voltage source control of wind turbines with full-scale converters：Part Ⅰ control architecture and stability analysis under weak grid conditions ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 16 ）： 5604 - 5616 .

赖纪东，谢天月，苏建徽，等 . 基于粒子群优化算法的孤岛微电网电压不平衡补偿协调控制［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 16 ）： 121 - 129 .

LAI Jidong ， XIE Tianyue ， SU Jianhui ， et al . Coordinated control of voltage unbalance compensation in islanded microgrid based on particle swarm optimization algorithm ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 16 ）： 121 - 129 .

HONG Y Y ， HSIAO C Y . Under-frequency load shedding in a standalone power system with wind-turbine generators using fuzzy PSO ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 1140 - 1150 .

ARDUINI F R ， ASADA E N ， BELLMUNT O G . Comparison between a crowbar and an R-SFCL to improve fault ride-through capacity of DFIG-based wind turbines ［C］// IEEE Madrid PowerTech， June 28-July 2 ， 2021 ， Madrid， Spain .

IVÁN A A ， RUBEN P G ， BLASCO-GIMENEZ R ， et al . Control strategy of a HVDC-Diode Rectifier connected type-4 off-shore wind farm ［C］// 2015 IEEE 2nd International Future Energy Electronics Conference （IFEEC）， November 1-4 ， 2015 ， Taipei， China .

王忱，石立宝，姚良忠，等 . 大规模双馈型风电场的小扰动稳定分析［J］. 中国电机工程学报， 2010 ， 30 （ 4 ）： 63 - 70 .

WANG Chen ， SHI Libao ， YAO Liangzhong ， et al . Small signal stability analysis of the large-scale wind farm with DFIGs ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2010 ， 30 （ 4 ）： 63 - 70 .

王清 . 双馈风电接入对电力系统稳定性影响机理研究［D］. 北京：华北电力大学， 2016 .

WANG Qing . Mechanism of the impact of DFIGs on power system stability ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2016 .

SHAO H S ， CAI X ， LI Z ， et al . Stability enhancement and direct speed control of DFIG inertia emulation control strategy ［J］. IEEE Access ， 2019 ， 7 ： 120089 - 120105 .

刘炜，郭春义，赵成勇，等 . 一种适用于MMC-HVDC连接极弱受端交流电网的功率阻尼同步控制方法［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 17 ）： 4647 - 4656 .

LIU Wei ， GUO Chunyi ， ZHAO Chengyong ， et al . Power damping synchronization control for MMC-HVDC connected to an extremely weak receiving AC grid ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 17 ）： 4647 - 4656 .

倪以信 . 动态电力系统的理论和分析［M］. 北京：清华大学出版社， 2002 .

NI Yixin . Theory and analysis of dynamic power system ［M］. Beijing ： Tsinghua University Press ， 2002 .

冯艳涛 . 双馈风电机组的虚拟惯量控制策略研究［D］. 合肥：合肥工业大学， 2018 .

FENG Yantao . Virtual inertia control strategy of doubly-fed induction generator ［D］. Hefei ： Hefei University of Technology ， 2018 .

沈传文，肖国春，于敏 . 自动控制理论［M］. 西安：西安交通大学出版社， 2007 .

SHEN Chuanwen ， XIAO Guochun ， YU Min . Automatic control theory ［M］. Xi’an ： Xi’an Jiaotong University Press ， 2007 .

黄洁亭 . 不同气象地形条件下风速概率分布模型研究［D］. 北京：华北电力大学， 2014 .

HUANG Jieting . Research on wind speed probability distribution models under different weather and terrain conditions ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2014 .

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