不同控制策略下直驱风电机组的机网耦合特性及稳定性分析

饶仪明; 吕敬; 戴金水; 王晗; 蔡旭

doi:10.7500/AEPS20230627009

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

不同控制策略下直驱风电机组的机网耦合特性及稳定性分析

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 不同控制策略下直驱风电机组的机网耦合特性及稳定性分析
- Analysis of Generator-Grid Coupling Characteristics and Stability for Direct-drive Wind Turbines with Different Control Strategies
- 电力系统自动化 2024年48卷第4期页码：150-159
- 作者机构：
  
  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
- 作者简介：
  
  饶仪明(1997—)，男，硕士研究生，主要研究方向：基于数据-模型融合驱动的新能源并网系统稳定性在线评估。E-mail：0610ming5517@sjtu.edu.cn
  吕敬(1985—)，男，通信作者，博士，副教授，博士生导师，主要研究方向：海上风电直流并网稳定分析与控制、人工智能在新能源交直流并网稳定性中的应用。E-mail：lvjing@sjtu.edu.cn
  戴金水(1987—)，女，硕士，工程师，主要研究方向：新能源发电并网控制技术。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52277195)
- DOI：10.7500/AEPS20230627009
  中图分类号：
- 收稿：2023-06-27，
  
  修回：2023-10-18，
  
  网络出版：2023-12-25，
  
  纸质出版：2024-02-25
- 稿件说明：
移动端阅览
饶仪明,吕敬,戴金水等.不同控制策略下直驱风电机组的机网耦合特性及稳定性分析[J].电力系统自动化,2024,48(4):150-159.

RAO Yiming,LYU Jing,DAI Jinshui,et al.Analysis of Generator-Grid Coupling Characteristics and Stability for Direct-drive Wind Turbines with Different Control Strategies[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(4):150-159.
饶仪明,吕敬,戴金水等.不同控制策略下直驱风电机组的机网耦合特性及稳定性分析[J].电力系统自动化,2024,48(4):150-159. DOI： 10.7500/AEPS20230627009.

RAO Yiming,LYU Jing,DAI Jinshui,et al.Analysis of Generator-Grid Coupling Characteristics and Stability for Direct-drive Wind Turbines with Different Control Strategies[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(4):150-159. DOI： 10.7500/AEPS20230627009.

摘要

直驱风电机组与弱交流电网或柔性直流输电系统间相互作用易导致宽频振荡问题。现有研究普遍认为，直驱风电机组与交/直流电网间的交互特性主要取决于其网侧变流器，故通常忽略直驱风电机组的机侧系统动态。已有文献讨论传统矢量控制下机侧系统对直驱风电机组并网特性的影响，但针对不同控制策略下直驱风电机组的机网耦合特性尚缺少相关研究。文中针对4种典型控制策略下直驱风电机组的机网耦合特性进行比较研究。首先，推导并验证了直驱风电机组在不同控制策略下的详细阻抗模型；然后，基于机网耦合度指标对直驱风电机组的机网耦合特性进行对比分析，得出不同控制策略下机侧系统动态对直驱风电机组交流侧阻抗特性及并网稳定性的影响；最后，通过直驱风电机组并弱交流电网分析案例验证了理论分析的正确性。

Abstract

The interaction between the direct-drive wind turbines and the weak AC grid or flexible DC transmission system will easily lead to wideband oscillation events. It is generally believed that the interaction characteristics between direct-drive wind turbines and AC/DC power grids mainly depend on the grid-side converters

so the dynamics of the generator-side system of direct-drive wind turbines are usually ignored. There have been some literatures discussing the influence of the generator-side system under traditional vector control on the grid-connected characteristics of direct-drive wind turbines

but there is a lack of relevant research on the generator-grid coupling characteristics for direct-drive wind turbines with different control strategies. In this paper

the generator-grid coupling characteristics of direct-drive wind turbines with four typical control strategies are compared. First

the detailed impedance models of direct-drive wind turbines with different control strategies are derived and verified. Then

based on the generator-grid coupling degree index

the generator-grid coupling characteristics of direct-drive wind turbines are compared and analyzed

and the influence of generator-side system dynamics on AC impedance characteristics and grid-connected stability of direct-drive wind turbines with different control strategies is obtained. Finally

the correctness of the theoretical analysis is verified by the case analysis of direct-drive wind turbines connecting to weak AC power grid.

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 .

FAN L L ， MIAO Z X . Wind in weak grids： 4 Hz or 30 Hz oscillations？［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 33 （ 5 ）： 5803 - 5804 .

XU Y K ， ZHANG M A ， FAN L L ， et al . Small-signal stability analysis of type-4 wind in series-compensated networks ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 529 - 538 .

KUNJUMUHAMMED LINASH P ， PAL BIKASH C ， ROBIN G ， et al . Stability analysis of a PMSG-based large offshore wind farm connected to a VSC-HVDC ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2017 ， 32 （ 3 ）： 1166 - 1176 .

LYU J ， CAI X ， AMIN M ， et al . Sub-synchronous oscillation mechanism and its suppression in MMC-based HVDC connected wind farms ［J］. IET Generation ， Transmission & Distribution， 2018 ， 12 （ 4 ）： 1021 - 1029 .

ZHANG C ， CAI X ， MOLINAS M ， et al . On the impedance modeling and equivalence of AC/DC-side stability analysis of a grid-tied type-Ⅳ wind turbine system ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2019 ， 34 （ 2 ）： 1000 - 1009 .

LYU J ， CAI X ， MOLINAS M . Frequency domain stability analysis of MMC-based HVDC for wind farm integration ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2016 ， 4 （ 1 ）： 141 - 151 .

LIU H K ， XIE X R ， HE J B ， et al . Subsynchronous interaction between direct-drive PMSG based wind farms and weak AC networks ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2017 ， 32 （ 6 ）： 4708 - 4720 .

周佩朋，宋瑞华，李光范，等 . 直驱风电机组次同步振荡阻尼控制方法及其适应性［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 13 ）： 177 - 184 .

ZHOU Peipeng ， SONG Ruihua ， LI Guangfan ， et al . Damping control method of subsynchronous oscillation for direct drive wind turbine generator and its adaptability ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 13 ）： 177 - 184 .

LIU B ， LI Z ， DONG X L ， et al . Impedance modeling and controllers shaping effect analysis of PMSG wind turbines ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 2 ）： 1465 - 1478 .

XUE T ， LYU J ， WANG H ， et al . A complete impedance model of a PMSG-based wind energy conversion system and its effect on the stability analysis of MMC-HVDC connected offshore wind farms ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2021 ， 36 （ 4 ）： 3449 - 3461 .

薛涛，吕敬，王凯，等 . 海上全功率风电机组精细化阻抗建模及机网侧耦合分析［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 12 ）： 4303 - 4319 .

XUE Tao ， LYU Jing ， WANG Kai ， et al . Accurate impedance modeling of an offshore full-power wind turbine system and analysis of the coupling characteristics between machine- and grid-side systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 12 ）： 4303 - 4319 .

邓秋玲，黄守道，姚建刚，等 . 直驱风电系统新型变流控制策略［J］. 电工技术学报， 2012 ， 27 （ 7 ）： 227 - 234 .

DENG Qiuling ， HUANG Shoudao ， YAO Jiangang ， et al . A new converter control strategy in direct drive wind generation system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2012 ， 27 （ 7 ）： 227 - 234 .

XU Y Y ， NIAN H ， CHEN L A . Small-signal modeling and analysis of DC-link dynamics in type-Ⅳ wind turbine system ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 2 ）： 1423 - 1433 .

秦世耀，齐琛，李少林，等 . 电压源型构网风电机组研究现状及展望［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 4 ）： 1314 - 1334 .

QIN Shiyao ， QI Chen ， LI Shaolin ， et al . Review of the voltage-source grid forming wind turbine ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 4 ）： 1314 - 1334 .

ZHONG Q C ， WEISS G . Synchronverters： inverters that mimic synchronous generators ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2011 ， 58 （ 4 ）： 1259 - 1267 .

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 .

YAN W H ， CHENG L ， YAN S J ， et al . Enabling and evaluation of inertial control for PMSG-WTG using synchronverter with multiple virtual rotating masses in microgrid ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2020 ， 11 （ 2 ）： 1078 - 1088 .

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 .

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 .

王东泽，孙海顺，黄碧月，等 . 基于虚拟同步控制的电压源型直驱风电机组并网稳定性分析［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 8 ）： 3282 - 3294 .

WANG Dongze ， SUN Haishun ， HUANG Biyue ， et al . Analysis of grid-connected stability of voltage-source-type PMSG-based wind turbine based on virtual synchronous control ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 8 ）： 3282 - 3294 .

ZHANG C ， CAI X ， RYGG A ， et al . Sequence domain SISO equivalent models of a grid-tied voltage source converter system for small-signal stability analysis ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2018 ， 33 （ 2 ）： 741 - 749 .

曾志杰，肖华锋，高博，等 . 并网逆变器小信号建模简化方法与应用［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 21 ）： 7002 - 7012 .

ZENG Zhijie ， XIAO Huafeng ， GAO Bo ， et al . Simplified small-signal modeling method of grid-connected inverters and its applications ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 21 ）： 7002 - 7012 .

李光辉，王伟胜，刘纯，等 . 直驱风电场接入弱电网宽频带振荡机理与抑制方法（一）：宽频带阻抗特性与振荡机理分析［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 22 ）： 6547 - 6562 .

LI Guanghui ， WANG Weisheng ， LIU Chun ， et al . Mechanism analysis and suppression method of wideband oscillation of PMSG wind farms connected to weak grid： part Ⅰ analysis of wideband impedance characteristics and oscillation mechanism ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 22 ）： 6547 - 6562 .

王哲 . 电压源控制直驱风力发电系统并网稳定性研究［D］. 上海：上海交通大学， 2022 .

WANG Zhe . Research on stability of voltage-source controlled direct-drive wind power system ［D］. Shanghai ： Shanghai Jiao Tong University ， 2022 .

李光辉，王伟胜，刘纯，等 . 基于控制硬件在环的风电机组阻抗测量及影响因素分析［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 5 ）： 1624 - 1631 .

LI Guanghui ， WANG Weisheng ， LIU Chun ， et al . Impedance measurement and influence factors analysis for wind turbines based on control-hardware-in-the-loop ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 5 ）： 1624 - 1631 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

虚拟同步直驱风机低频振荡机理分析及阻尼补偿控制