基于全阶模型的直驱风电机组多时间尺度等效惯量机理建模

姜继恒; 鲁宗相; 乔颖; 李佳明; 程艳; 关逸飞; 汪挺

doi:10.7500/AEPS20230803004

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基于全阶模型的直驱风电机组多时间尺度等效惯量机理建模

新型电力系统惯量-功率-频率控制理论与应用 | 更新时间：2025-06-16

- 基于全阶模型的直驱风电机组多时间尺度等效惯量机理建模
- Multi-time-scale Equivalent Inertia Mechanism Modeling of Direct-drive Wind Turbines Based on Full-order Model
- 电力系统自动化 2024年48卷第8期页码：79-90
- 作者机构：
  
  1.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学),北京市 100084
  2.国网山东省电力公司电力科学研究院,山东省济南市 250003
  3.国网山东省电力公司,山东省济南市 250000
- 作者简介：
  
  姜继恒(1994—)，男，通信作者，博士研究生，主要研究方向：电力系统稳定分析与控制。E-mail：jiheng1020@163.com
  鲁宗相(1974—)，男，博士，副教授，主要研究方向：风电和太阳能发电并网分析与控制、能源与电力宏观规划、电力系统可靠性、分布式电源及微电网。E-mail：luzongxiang98@tsinghua.edu.cn
  乔颖(1981—)，女，博士，副研究员，主要研究方向：新能源、分布式发电、电力系统安全与控制。E-mail：qiaoying@tsinghua.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2021YFB2400500);国家电网有限公司科技项目（光伏/风电场站暂态频率电压主动快速支撑技术）
- DOI：10.7500/AEPS20230803004
  中图分类号：
- 收稿：2023-08-03，
  
  修回：2024-01-02，
  
  网络出版：2024-03-27，
  
  纸质出版：2024-04-25
- 稿件说明：
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姜继恒,鲁宗相,乔颖等.基于全阶模型的直驱风电机组多时间尺度等效惯量机理建模[J].电力系统自动化,2024,48(8):79-90.

JIANG Jiheng,LU Zongxiang,QIAO Ying,et al.Multi-time-scale Equivalent Inertia Mechanism Modeling of Direct-drive Wind Turbines Based on Full-order Model[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(8):79-90.
姜继恒,鲁宗相,乔颖等.基于全阶模型的直驱风电机组多时间尺度等效惯量机理建模[J].电力系统自动化,2024,48(8):79-90. DOI： 10.7500/AEPS20230803004.

JIANG Jiheng,LU Zongxiang,QIAO Ying,et al.Multi-time-scale Equivalent Inertia Mechanism Modeling of Direct-drive Wind Turbines Based on Full-order Model[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(8):79-90. DOI： 10.7500/AEPS20230803004.

摘要

构建风电机组的等效惯量模型是开展风电场暂态支撑定量分析与优化控制工作的关键基础，在转动惯量降低、频率特性劣化的高比例可再生能源电网场景下尤其关键。然而，现有模型研究往往结合分析目标侧重若干环节而未能建立全环节的完整模型，也未能揭示不同时间尺度降阶模型与计算精度的关系。首先，以直驱风电机组为对象，在对比风电等效惯量与同步机惯量在机理和实现方式等方面差异的基础上，分析了机械、控制、电气等环节对风电等效惯量的动态影响，建立了风电机组的频率响应全阶模型。然后，基于奇异摄动理论推导了考虑不同时间尺度动态的等效惯量降阶模型，应用瓦西里耶娃理论推导了误差与模型时间尺度之间的关系。最后，采用电磁暂态仿真算例验证了全阶机理模型的有效性及不同降阶模型的精度水平。

Abstract

Constructing the equivalent inertia model of wind turbines is a key basis for quantitative analysis and optimal control of wind farm transient support

especially in the scenario of high-proportion renewable energy power grid with reduced of inertia and degraded frequency characteristics. However

the existing model research often focuses on several links in combination with the analysis goal

but does not establish a complete model of the whole links

and does not reveal the relationship between the reduced-order model and the calculation accuracy at different time scales. Firstly

taking direct-drive wind turbine as the object

based on the comparison of the equivalent inertia of wind power and synchronous machine in mechanism and implementation mode

the dynamic influence of mechanical

control and electrical links on the equivalent inertia of wind power is analyzed

and a full-order frequency response model of the wind turbine is established. Then

based on the singular perturbation theory

the equivalent inertia reduction model considering the dynamics of different time scales is derived

and the relationship between the error and the time scale of the model is derived by applying the Vasilyeva theory. Finally

an electromagnetic transient simulation case is used to verify the effectiveness of the full-order mechanism model and the accuracy of different reduced-order models.

关键词

Keywords

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