不平衡弱电网下构网型双馈风电机组转子侧变流器优化策略

徐上; 谢震; 杨曙昕; 李梦杰; 杨淑英; 张兴

doi:10.7500/AEPS20240513004

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不平衡弱电网下构网型双馈风电机组转子侧变流器优化策略

大规模新能源基地稳定运行与直流送出技术 | 更新时间：2025-06-16

- 不平衡弱电网下构网型双馈风电机组转子侧变流器优化策略
- Optimization Strategy for Rotor-side Converter of Grid-forming DFIG-based Wind Turbines Under Unbalanced Weak Grid
- 电力系统自动化 2025年49卷第7期页码：35-45
- 作者机构：
  
  1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽省合肥市 230009
  2.国网安徽省电力有限公司培训中心，安徽省合肥市 230011
- 作者简介：
  
  徐上(1997—)，男，博士研究生，主要研究方向：双馈风电机组并网变流器控制技术及应用。E-mail：sdzcxs1997@126.com
  谢震(1976—)，男，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：大功率风力发电用并网变流器。E-mail：ppsd2003xie@sina.com
  杨曙昕(1997—)，男，硕士研究生，主要研究方向：新能源发电系统并网技术。E-mail：953835321@qq.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52377177)
- DOI：10.7500/AEPS20240513004
  中图分类号：
- 收稿：2024-05-13，
  
  修回：2024-09-26，
  
  网络出版：2024-12-05，
  
  纸质出版：2025-04-10
- 稿件说明：
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徐上,谢震,杨曙昕等.不平衡弱电网下构网型双馈风电机组转子侧变流器优化策略[J].电力系统自动化,2025,49(7):35-45.

XU Shang,XIE Zhen,YANG Shuxin,et al.Optimization Strategy for Rotor-side Converter of Grid-forming DFIG-based Wind Turbines Under Unbalanced Weak Grid[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(7):35-45.
徐上,谢震,杨曙昕等.不平衡弱电网下构网型双馈风电机组转子侧变流器优化策略[J].电力系统自动化,2025,49(7):35-45. DOI： 10.7500/AEPS20240513004.

XU Shang,XIE Zhen,YANG Shuxin,et al.Optimization Strategy for Rotor-side Converter of Grid-forming DFIG-based Wind Turbines Under Unbalanced Weak Grid[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(7):35-45. DOI： 10.7500/AEPS20240513004.

摘要

双馈风电机组在不平衡电网下运行时，系统存在正、负序通路，而随着电网强度减弱，机网耦合加剧，不平衡定子电压的扰动将影响系统正常运行。为研究弱电网下双馈风电机组不平衡运行以及稳定机理，首先，构建了构网型双馈风电机组小信号状态空间模型，基于系统模型对正、负序转子电流控制进行稳定性及不平衡度分析。然后，提出基于自适应虚拟阻抗的优化控制策略，以实现弱电网下对不平衡定子电压、电流的协同补偿，并通过理论分析证明了所提策略有效提高了不平衡弱电网下双馈风电机组的稳定性。最后，通过硬件在环实验平台验证了所提优化策略的有效性。

Abstract

When doubly-fed induction generator (DFIG)-based wind turbines operate under an unbalanced power grid

the system has positive- and negative-sequence paths. With the weakening of power grid strength

the coupling between the turbine and the grid intensifies

and disturbances in unbalanced stator voltage will affect the normal operation of the system. In order to study the unbalanced operation and stability mechanism of doubly-fed wind turbine units under a weak grid

first

a small-signal state-space model of DFIG-based wind turbines is constructed

and the stability and unbalanced degree of positive- and negative-sequence rotor current control are analyzed based on the system model. Then

the optimal control strategy based on adaptive virtual impedance is proposed to realize the cooperative compensation for the unbalanced stator voltage and current under the weak grid. The theoretical analysis proves that the proposed strategy effectively improves the stability of the DFIG-based wind turbines under the unbalanced weak grid. Finally

through the hardware-in-the-loop experiment platform

the effectiveness of the proposed optimization strategy is verified.

关键词

Keywords

references

刘其辉，闫佳颖，吴勇，等 . 计及锁相误差的双馈风电并网系统暂态过电压特性与抑制［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 11 ）： 165 - 173 .

LIU Qihui ， YAN Jiaying ， WU Yong ， et al . Characteristics and suppression of transient overvoltage for DFIG wind power grid-connected system considering phase locking error ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 11 ）： 165 - 173 .

GUO X ， ZHU D H ， ZOU X D ， et al . Analysis and enhancement of active power transfer capability for DFIG-based WTs in very weak grid ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2022 ， 10 （ 4 ）： 3895 - 3906 .

LIU P Y ， XIE X R ， SHAIR J . Adaptive hybrid grid-forming and grid-following control of IBRs with enhanced small-signal stability under varying SCRs ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2024 ， 39 （ 6 ）： 6603 - 6607 .

XU H L ， WU H ， LI Z ， et al . Gershgorin-circle based low-complexity generalized nyquist stability criterion for DFIG driven wind turbines ［J］. IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems ， 2022 ， 12 （ 1 ）： 29 - 40 .

李辉，王坤，胡玉，等 . 双馈风电系统虚拟同步控制的阻抗建模及稳定性分析［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 12 ）： 3434 - 3443 .

LI Hui ， WANG Kun ， HU Yu ， et al . Impedance modeling and stability analysis of virtual synchronous control based on doubly-fed wind generation systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 12 ）： 3434 - 3443 .

马子涵，黄萌，付熙坤，等 . 构网型电源接入下新能源场站的稳定运行能力评估［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 1 ）： 38 - 46 .

MA Zihan ， HUANG Meng ， FU Xikun ， et al . Stable operation capability evaluation for renewable energy station with grid-forming power sources ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 1 ）： 38 - 46 .

吴瀚，徐海亮，张利，等 . 弱电网下含负序控制的双馈风机阻抗建模及关键致稳因素评估［J］. 高电压技术， 2023 ， 49 （ 6 ）： 2516 - 2528 .

WU Han ， XU Hailiang ， ZHANG Li ， et al . Impedance modeling and key stabilizing factor evaluation of DFIG-based wind turbines with negative sequence control during weak power grid ［J］. High Voltage Engineering ， 2023 ， 49 （ 6 ）： 2516 - 2528 .

ZHOU Y N ， ZHU D H ， HU J B ， et al . Magnitude-phase characteristics analysis of inertia for DFIG-based wind turbines ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2024 ， 39 （ 10 ）： 12336 - 12348 .

赵阳，邹旭东，丁稳房 . 不平衡电网电压下并网型双馈感应发电机励磁控制策略［J］. 武汉大学学报（工学版）， 2009 ， 42 （ 1 ）： 110 - 113 .

ZHAO Yang ， ZOU Xudong ， DING Wenfang . Excitation control strategy of grid-connecting DFIG under unbalanced grid voltage ［J］. Engineering Journal of Wuhan University ， 2009 ， 42 （ 1 ）： 110 - 113 .

付敏，刘乐，王彦美，等 . 不平衡电压下双馈风力发电机转子侧PIR控制［J］. 电力系统及其自动化学报， 2018 ， 30 （ 9 ）： 128 - 133 .

FU Min ， LIU Le ， WANG Yanmei ， et al . PIR control for doubly-fed wind power system of rotor side under unbalanced grid voltage ［J］. Proceedings of the CSU-EPSA ， 2018 ， 30 （ 9 ）： 128 - 133 .

王一翔，孙士涛，程鹏，等 . 不平衡电压条件下双馈感应发电机混合直接功率控制策略［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 6 ）： 199 - 205 .

WANG Yixiang ， SUN Shitao ， CHENG Peng ， et al . Hybrid direct power control strategy of doubly-fed induction generator under unbalanced voltage conditions ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 6 ）： 199 - 205 .

年珩，程鹏 . 电网电压不平衡时PWM整流器的谐振直接功率控制策略［J］. 电工技术学报， 2013 ， 28 （ 11 ）： 86 - 94 .

NIAN Heng ， CHENG Peng . Resonant based direct power control strategy for PWM rectifier under unbalanced grid voltage condition ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2013 ， 28 （ 11 ）： 86 - 94 .

万子镜，田震，王伟，等 . 基于平滑切换的不平衡工况下直驱风机故障穿越控制策略［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 19 ）： 138 - 146 .

WAN Zijing ， TIAN Zhen ， WANG Wei ， et al . Smooth switching based fault ride-through control strategy for direct-driven wind turbine under unbalance condition ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 19 ）： 138 - 146 .

程启明，郭凯，程尹曼，等 . 电压不平衡下双馈感应发电机机侧变换器无源控制方法［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 19 ）： 73 - 81 .

CHENG Qiming ， GUO Kai ， CHENG Yinman ， et al . Passivity-based control method for rotor-side converter of doubly-fed induction generator under unbalanced voltage condition ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 19 ）： 73 - 81 .

谢震，牛立凡，张兴，等 . 不平衡电网电压下双馈发电机多目标模型预测控制［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 13 ）： 3917 - 3930 .

XIE Zhen ， NIU Lifan ， ZHANG Xing ， et al . Muti-objective model predictive control of double-fed induction generator under unbalanced grid voltage ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 13 ）： 3917 - 3930 .

TU C M ， GAO J Y ， XIAO F ， et al . Stability analysis of the grid-connected inverter considering the asymmetric positive-feedback loops introduced by the PLL in weak grids ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2022 ， 69 （ 6 ）： 5793 - 5802 .

刘辉，陈璨，巨云涛，等 . 风电汇集地区电压不平衡特性分析及抑制策略［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 14 ）： 132 - 139 .

LIU Hui ， CHEN Can ， JU Yuntao ， et al . Characteristics analysis and suppression strategy of voltage unbalance in areas with integration of wind power ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 14 ）： 132 - 139 .

熊浩，杜雄，孙鹏菊，等 . 三相并网变流器在电网不对称故障时的有功功率安全运行区域［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 20 ）： 6110 - 6118 .

XIONG Hao ， DU Xiong ， SUN Pengju ， et al . Active power safe operation region of three-phase grid-connected voltage source converter under unbalanced grid faults ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 20 ）： 6110 - 6118 .

BAECKELAND N ， VENKATRAMANAN D ， KLEEMANN M ， et al . Stationary-frame grid-forming inverter control architectures for unbalanced fault-current limiting ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2022 ， 37 （ 4 ）： 2813 - 2825 .

王仰铭，孙丹，年珩，等 . 不平衡电网下自同步虚拟同步机拓展功率控制策略研究［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 9 ）： 3368 - 3375 .

WANG Yangming ， SUN Dan ， NIAN Heng ， et al . Extended power control strategy of self-synchronized virtual synchronous generator under unbalanced power grid ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 9 ）： 3368 - 3375 .

韦徵，姬秋华，王伟，等 . 适用于电网不对称下的自同步电压源逆变器控制策略［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 10 ）： 124 - 131 .

WEI Zheng ， JI Qiuhua ， WANG Wei ， et al . Control strategy of self-synchronous voltage source inverter for asymmetric power grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 10 ）： 124 - 131 .

潘子迅，杨晓峰，赵锐，等 . 不平衡电网下虚拟同步机的多模式协调策略［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 16 ）： 4274 - 4285 .

PAN Zixun ， YANG Xiaofeng ， ZHAO Rui ， et al . Multi-mode coordination control of virtual synchronous generator under unbalanced power grid ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 16 ）： 4274 - 4285 .

程雪坤，孙旭东，柴建云，等 . 适用于电网不对称故障的双馈风力发电机虚拟同步控制策略［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 9 ）： 120 - 126 .

CHENG Xuekun ， SUN Xudong ， CHAI Jianyun ， et al . Virtual synchronous control strategy for doubly-fed induction generator under asymmetrical grid faults ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 9 ）： 120 - 126 .

电能质量三相电压不平衡： GB/T 15543—2008 ［S］. 北京：中国电力出版社， 2008 .

Power quality—three-phase voltage unbalance ： GB/T 15543—2008 ［S］. Beijing ： China Electric Power Press ， 2008 .

风电场接入电力系统技术规定第1部分：陆上风电： GB/T 19963.1—2021 ［S］. 北京：中国电力出版社， 2021 .

Technical specification for connecting wind farm to power system—Part 1： on shore wind power ： GB/T 19963.1—2021 ［S］. Beijing ： China Electric Power Press ， 2021 .

ACHLERKAR P D ， PANIGRAHI B K . New perspectives on stability of decoupled double synchronous reference frame PLL ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 1 ）： 285 - 302 .

WANG Z ， GUO L ， LI X L ， et al . PLL synchronization transient stability analysis of a weak-grid connected VSC during asymmetric faults ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2024 ， 39 （ 2 ）： 2140 - 2154 .

FANG X ， YAO J ， LIU R K ， et al . Small-signal stability analysis and current control reference optimization algorithm of DFIG-based WT during asymmetric grid faults ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 7 ）： 7750 - 7768 .

YUAN G F ， LIANG R P ， HOU X J . Control strategy of DFIG under unbalanced grid voltage conditions based on complex-vector-resonant regulator ［C］// 2017 20th International Conference on Electrical Machines and Systems （ICEMS）， August 11-14 ， 2017 ， Sydney， Australia ： 1 - 6 .

WANG T ， NIAN H ， ZHU Z Q ， et al . Flexible compensation strategy for voltage source converter under unbalanced and harmonic condition based on a hybrid virtual impedance method ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 9 ）： 7656 - 7673 .

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