不同构网型直驱风电机组的小扰动动态特性对比分析

王干尧; 吕敬; 王晗; 蔡旭

doi:10.7500/AEPS20250227001

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不同构网型直驱风电机组的小扰动动态特性对比分析

构网型技术 | 更新时间：2026-02-28

- 不同构网型直驱风电机组的小扰动动态特性对比分析
- Comparative Analysis on Small-signal Dynamic Characteristics of Various Grid-forming Direct-drive Wind Turbines
- 电力系统自动化 2025年49卷第22期页码：79-89
- 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：
  
  王干尧(2001—)，女，硕士研究生，主要研究方向：新能源发电系统并网稳定性。E-mail：wganyao59@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：新能源并网稳定分析与控制。E-mail：lvjing@sjtu.edu.cn
  王晗(1982—)，男，博士，助理研究员，主要研究方向：可再生能源发电与并网技术。E-mail：wanghansjtu@sjtu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52277195)
- DOI：10.7500/AEPS20250227001
  中图分类号：
- 收稿：2025-02-27，
  
  修回：2025-05-21，
  
  网络首发：2025-07-24，
  
  纸质出版：2025-11-25
- 稿件说明：
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王干尧,吕敬,王晗等.不同构网型直驱风电机组的小扰动动态特性对比分析[J].电力系统自动化,2025,49(22):79-89.

WANG Ganyao,LYU Jing,WANG Han,et al.Comparative Analysis on Small-signal Dynamic Characteristics of Various Grid-forming Direct-drive Wind Turbines[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(22):79-89.
王干尧,吕敬,王晗等.不同构网型直驱风电机组的小扰动动态特性对比分析[J].电力系统自动化,2025,49(22):79-89. DOI： 10.7500/AEPS20250227001.

WANG Ganyao,LYU Jing,WANG Han,et al.Comparative Analysis on Small-signal Dynamic Characteristics of Various Grid-forming Direct-drive Wind Turbines[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(22):79-89. DOI： 10.7500/AEPS20250227001.

摘要

构网型直驱风电机组模拟同步机特性，能够主动支撑电网电压、改善频率响应。现有研究主要探讨特定构网型控制策略的频率响应或并网稳定性，缺乏对不同构网型控制策略动态特性差异的对比研究。文中针对虚拟同步发电机（VSG）控制、下垂控制和惯性同步控制（ISC）这3种典型构网型直驱风电机组，分别建立其无功功率-电压、有功功率-频率和电压-电流小信号频域动态模型，对比研究了3种构网型直驱风电机组在电压响应能力、频率响应能力和电网强度适应能力三方面的特性差异，并进一步分析了关键控制参数对动态特性差异化影响的规律。最后，通过仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。结果表明，下垂控制在电压支撑能力方面表现最佳，VSG控制在频率支撑能力方面表现最佳，而ISC在强电网条件下的适应性较好。研究结果可为构网型控制策略的选择与应用提供有价值的参考。

Abstract

Grid-forming direct-drive wind turbines emulate the characteristics of synchronous generators

and can actively support the grid voltage and improve the frequency response. Existing research primarily focuses on the frequency response or grid-connected stability of specific grid-forming control strategies

with a lack of comparative studies on the dynamic characteristic differences among various grid-forming control strategies. This paper establishes small-signal frequency-domain dynamic models of reactive power-voltage

active power-frequency

and voltage-current relationships for three typical grid-forming direct-drive wind turbines: virtual synchronous generator (VSG) control

droop control

and inertia synchronization control (ISC). The differences among these three grid-forming direct-drive wind turbines in terms of voltage response capability

frequency response capability

and adaptability to grid strength are compared. Furthermore

the influence of key control parameters on the dynamic characteristics is analyzed. Finally

the correctness of the theoretical analysis is verified through simulations and experimental results. The results indicate that droop control performs best in voltage support capability

VSG control excels in frequency support capability

while ISC shows better adaptability under strong grid conditions. The research results can provide valuable references for the selection and application of grid-forming control strategies.

关键词

Keywords

references

卓振宇，张宁，谢小荣，等 . 高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

ZHUO Zhenyu ， ZHANG Ning ， XIE Xiaorong ， et al . Key technologies and developing challenges of power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

迟永宁，江炳蔚，胡家兵，等 . 构网型变流器：物理本质与特征［J］. 高电压技术， 2024 ， 50 （ 2 ）： 590 - 604 .

CHI Yongning ， JIANG Bingwei ， HU Jiabing ， et al . Grid-forming converters： physical mechanism and characteristics ［J］. High Voltage Engineering ， 2024 ， 50 （ 2 ）： 590 - 604 .

孙华东，许涛，郭强，等 . 英国“8·9”大停电事故分析及对中国电网的启示［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 21 ）： 6183 - 6192 .

SUN Huadong ， XU Tao ， GUO Qiang ， et al . Analysis on blackout in Great Britain power grid on August 9th， 2019 and its enlightenment to power grid in China ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 21 ）： 6183 - 6192 .

EBRAHIMZADEH E ， BLAABJERG F ， WANG X F ， et al . Harmonic stability and resonance analysis in large PMSG-based wind power plants ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2018 ， 9 （ 1 ）： 12 - 23 .

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 .

STRUNZ K ， ALMUNEM K ， WULKOW C ， et al . Enabling 100% renewable power systems through power electronic grid-forming converter and control： system integration for security， stability， and application to Europe ［J］. Proceedings of the IEEE ， 2023 ， 111 （ 7 ）： 891 - 915 .

MAHMOUD K ， ASTERO P ， PELTONIEMI P ， et al . Promising grid-forming VSC control schemes toward sustainable power systems： comprehensive review and perspectives ［J］. IEEE Access ， 2022 ， 10 ： 130024 - 130039 .

LI C ， YANG Y Q ， CAO Y J ， et al . Grid inertia and damping support enabled by proposed virtual inductance control for grid-forming virtual synchronous generator ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 1 ）： 294 - 303 .

刘沁怡，黄伟煌，郭铸，等 . 基于自适应虚拟阻抗的多并联构网型变流器无功功率分配策略［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 15 ）： 122 - 130 .

LIU Qinyi ， HUANG Weihuang ， GUO Zhu ， et al . Reactive power sharing strategy for multiple parallel grid-forming converters based on adaptive virtual impedance ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 15 ）： 122 - 130 .

QIN Y ， WANG H ， DENG Z Y ， et al . Control of inertia-synchronization controlled wind turbine generators under symmetrical grid faults ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2023 ， 38 （ 2 ）： 1085 - 1096 .

ZHANG H B ， XIANG W ， LIN W X ， et al . Grid forming converters in renewable energy sources dominated power grid： control strategy， stability， application， and challenges ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2021 ， 9 （ 6 ）： 1239 - 1256 .

黄伟，翟苏巍，路学刚，等 . 电压控制对构网型变换器频率响应特性影响分析［J］. 南方电网技术， 2024 ， 18 （ 5 ）： 102 - 111 .

HUANG Wei ， ZHAI Suwei ， LU Xuegang ， et al . Analysis of the impact of voltage control on the frequency response characteristics of grid-forming converter ［J］. Southern Power System Technology ， 2024 ， 18 （ 5 ）： 102 - 111 .

MENG X ， LIU J J ， LIU Z . A generalized droop control for grid-supporting inverter based on comparison between traditional droop control and virtual synchronous generator control ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 6 ）： 5416 - 5438 .

秦垚，王晗，邓桢彦，等 . 自同步电压源永磁直驱风电机组的直流电压同步机制及其统一控制结构［J］. 高电压技术， 2023 ， 49 （ 1 ）： 31 - 41 .

QIN Yao ， WANG Han ， DENG Zhenyan ， et al . Synchronization mechanism and unified control structure for PMSG-based WTGs by using the DC-link voltage to realize self-synchronous voltage source control ［J］. High Voltage Engineering ， 2023 ， 49 （ 1 ）： 31 - 41 .

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 .

MOHAMMED N ， UDAWATTE H ， ZHOU W H ， et al . Grid-forming inverters： a comparative study of different control strategies in frequency and time domains ［J］. IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society ， 2024 ， 5 ： 185 - 214 .

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 .

林俐，徐宁，崔灏，等 . 面向沙戈荒新能源基地的构网型场站与同步调相机协调配置策略［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 7 ）： 115 - 125 .

LIN Li ， XU Ning ， CUI Hao ， et al . Coordinated configuration strategy of grid-forming stations and synchronous condensers for renewable energy bases in Gobi Desert and other arid areas ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 7 ）： 115 - 125 .

张宇，张琛，蔡旭，等 . 虚拟同步机电流受限暂态电压支撑机理与改进故障穿越控制研究［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 15 ）： 5996 - 6010 .

ZHANG Yu ， ZHANG Chen ， CAI Xu ， et al . Current-constrained transient voltage response analysis and an improved fault-ride through control of the virtual synchronous generator ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 15 ）： 5996 - 6010 .

WANG Y Q ， ZHAO Q ， WEI M K ， et al . An evaluation method of voltage support capability for grid-forming inverter applicable for systems with various R/X ratios ［C］// 7th Asia Conference on Energy and Electrical Engineering （ACEEE）， July 20-22 ， 2024 ， Chengdu， China .

孙华东，赵兵，徐式蕴，等 . 高比例电力电子电力系统强度的定义、分类及分析方法［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 18 ）： 7039 - 7049 .

SUN Huadong ， ZHAO Bing ， XU Shiyun ， et al . Definition， classification， and analysis method of the strength of power system integrated with high penetration of power electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 18 ）： 7039 - 7049 .

梁倍华，谢欢，赵天骐，等 . 基于分布式调相机的电压支撑型新能源场站构建方案——（一）机理分析［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 11 ）： 159 - 167 .

LIANG Beihua ， XIE Huan ， ZHAO Tianqi ， et al . Construction scheme of voltage-supporting renewable energy station based on distributed synchronous condensers： Part one mechanism analysis ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 11 ）： 159 - 167 .

刘彦军，何维，朱东海，等 . 基于二阶VSG的变换器频率支撑能力评估及提升方法［J］. 电力建设， 2024 ， 45 （ 11 ）： 102 - 113 .

LIU Yanjun ， HE Wei ， ZHU Donghai ， et al . Evaluation and improving method of frequency support of converters based on second-order VSG section ［J］. Electric Power Construction ， 2024 ， 45 （ 11 ）： 102 - 113 .

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 .

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 .

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