构网型双馈风机对电力系统超低频振荡特性的影响分析

王栋; 田军; 黄云辉; 郑皖宁; 邓翔天; 周克亮

doi:10.7500/AEPS20250417002

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构网型双馈风机对电力系统超低频振荡特性的影响分析

学术研究 | 更新时间：2026-02-28

- 构网型双馈风机对电力系统超低频振荡特性的影响分析
- Impact Analysis of Grid-forming Doubly-fed Induction Generator on Ultra-low Frequency Oscillation Characteristics in Power System
- 电力系统自动化 2026年50卷第2期页码：146-155
- 作者机构：
  
  1.武汉理工大学自动化学院，湖北省武汉市 430070
  2.水路交通控制全国重点实验室，武汉理工大学，湖北省武汉市 430063
- 作者简介：
  
  王栋(1988—)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：风电/光伏并网稳定分析及控制、新能源主动支撑电网调频控制及优化。E-mail：dongwang@whut.edu.cn
  田军(2001—)，男，硕士研究生，主要研究方向：新能源并网频率动态控制及稳定分析。E-mail：ethan952@whut.edu.cn
  黄云辉(1986—)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：电力电子化电力系统的稳定与控制。E-mail：h.yunhui@whut.edu.cn
  郑皖宁(1991—)，女，通信作者，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：风电并网系统及柔性直流电网的小干扰稳定分析、鲁棒分析及协同控制设计。E-mail：wanningz@whut.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52307217)
- DOI：10.7500/AEPS20250417002
  中图分类号：
- 收稿：2025-04-17，
  
  修回：2025-08-19，
  
  网络首发：2025-10-30，
  
  纸质出版：2026-01-25
- 稿件说明：
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王栋,田军,黄云辉等.构网型双馈风机对电力系统超低频振荡特性的影响分析[J].电力系统自动化,2026,50(2):146-155.

WANG Dong,TIAN Jun,HUANG Yunhui,et al.Impact Analysis of Grid-forming Doubly-fed Induction Generator on Ultra-low Frequency Oscillation Characteristics in Power System[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(2):146-155.
王栋,田军,黄云辉等.构网型双馈风机对电力系统超低频振荡特性的影响分析[J].电力系统自动化,2026,50(2):146-155. DOI： 10.7500/AEPS20250417002.

WANG Dong,TIAN Jun,HUANG Yunhui,et al.Impact Analysis of Grid-forming Doubly-fed Induction Generator on Ultra-low Frequency Oscillation Characteristics in Power System[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(2):146-155. DOI： 10.7500/AEPS20250417002.

摘要

构网型风机主动支撑电网频率调节的同时，其与电网间的功频动态交互也可能对电力系统低频甚至超低频振荡产生影响。文中以风水联合系统为对象，研究含一次调频及虚拟惯量控制的构网型双馈风机对电力系统超低频振荡模式的影响机理。首先，考虑不同风速工作区对风机机电尺度环节进行线性化，推导了风机端口的简化功率-频率响应模型，并在此基础上建立风水联合系统的统一频率响应模型。基于该模型，应用复转矩系数法推导了风机附加同步、阻尼系数的解析表达式，分解分析了不同工况下风机虚拟惯量系数、桨距角控制、一次调频下垂系数等控制环节参数对超低频振荡模式频率、阻尼的影响规律。结果表明，风机虚拟惯量系数和一次调频下垂系数的增大，会显著削弱系统超低频振荡模式的阻尼，存在引发振荡失稳的风险。最后，通过改进的IEEE 3机9节点系统的时域仿真验证了理论分析的有效性。

Abstract

While grid-forming doubly-fed induction generators (DFIGs) actively support power grid frequency regulation

their power-frequency dynamic interactions with the power grid may also impact low-frequency or even ultra-low frequency oscillations in power systems. Using a wind power and hydropower combined system as the study case

this paper investigates the influence mechanism of grid-forming DFIGs with primary frequency regulation and virtual inertia control on ultra-low frequency oscillation modes in the power system. First

the electromechanical-scale components of wind turbines are linearized

accounting for various wind speed operating regions

and a simplified power-frequency response model at the wind turbine terminal is derived. Based on this model

a unified frequency response model for the wind power and hydropower combined system is then established. By using the complex torque coefficient method

analytical expressions of the additional synchronization and damping coefficients of the wind turbine are derived. The influence rules of control parameters

including the virtual inertia coefficient

the pitch angle control

and the primary frequency regulation droop coefficient

on the frequency and damping characteristics of ultra-low frequency oscillation modes under various operating conditions are systematically analyzed. Results demonstrate that increasing the virtual inertia coefficient and primary frequency regulation droop coefficient significantly reduces damping of the ultra-low frequency oscillation mode of the system

potentially triggering oscillation instability. Finally

the time-domain simulation on a modified 3-machine 9-bus system validates the effectiveness of the theoretical analysis.

关键词

Keywords

references

MWANIKI J ， LIN H ， DAI Z Y . A condensed introduction to the doubly fed induction generator wind energy conversion systems ［J］. Journal of Engineering ， 2017 （ 1 ）： 2918281 .

WANG S ， HU J B ， YUAN X M . Virtual synchronous control for grid-connected DFIG-based wind turbines ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2015 ， 3 （ 4 ）： 932 - 944 .

颜湘武，蔡光，李锐博，等 . 计及功角偏差和阻尼效应的构网型双馈风机暂态稳定性分析［J］. 中国电机工程学报， 2025 ， 45 （ 7 ）： 2616 - 2633 .

YAN Xiangwu ， CAI Guang ， LI Ruibo ， et al . Transient stability analysis of grid-forming doubly fed induction generator with power angle deviation and damping effect ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2025 ， 45 （ 7 ）： 2616 - 2633 .

WANG P ， MA J P ， ZHANG R ， et al . Power self-synchronization control of grid-forming voltage-source converters against a wide range of short-circuit ratio ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 12 ）： 15419 - 15432 .

李群，殷明慧，刘昆龙，等 . 面向构网永磁风电机组惯量支撑的物理转子绑定方法［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 11 ）： 91 - 101 .

LI Qun ， YIN Minghui ， LIU Kunlong ， et al . Physical rotor binding method for inertia support of grid-forming permanent magnet wind turbines ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 11 ）： 91 - 101 .

ZHU D H ， ZOU X D ， ZHOU S Y ， et al . Feedforward current references control for DFIG-based wind turbine to improve transient control performance during grid faults ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2018 ， 33 （ 2 ）： 670 - 681 .

FU Y ， WANG Y ， ZHANG X Y . Integrated wind turbine controller with virtual inertia and primary frequency responses for grid dynamic frequency support ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2017 ， 11 （ 8 ）： 1129 - 1137 .

李梦杰，谢震，徐上，等 . 弱电网下构网型双馈风电机组直流动态分析及优化控制策略［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 14 ）： 129 - 138 .

LI Mengjie ， XIE Zhen ， XU Shang ， et al . DC-link dynamics analysis and optimal control strategy for grid-forming DFIG-based wind turbines in weak grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 14 ）： 129 - 138 .

罗魁，郭剑波，王伟胜，等 . 跟网型新能源附加频率控制对频率稳定及小扰动同步稳定影响分析综述［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 4 ）： 1262 - 1281 .

LUO Kui ， GUO Jianbo ， WANG Weisheng ， et al . Review of impact of grid following variable renewable energy supplementary frequency control on frequency stability and small-disturbance synchronization stability ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 4 ）： 1262 - 1281 .

YANG W J ， YANG J D ， ZENG W ， et al . Experimental investigation of theoretical stability regions for ultra-low frequency oscillations of hydropower generating systems ［J］. Energy ， 2019 ， 186 ： 115816 .

陈亦平，李崇涛，杨若朴，等 . 云南异步电网中频率振荡的分段线性模型分析方法［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 6 ）： 186 - 193 .

CHEN Yiping ， LI Chongtao ， YANG Ruopu ， et al . Analysis method of piecewise linear model for frequency oscillation in asynchronous power grid of Yunnan in China ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 6 ）： 186 - 193 .

KAMWA I ， LEFEBVRE D ， LOUD L . Small signal analysis of hydro-turbine governors in large interconnected power plants ［C］// 2002 IEEE Power Engineering Society Winter Meeting . Conference Proceedings ， January 27-31 ， 2002 ， New York， USA ： 1178 - 1183 .

WANG G T ， XU Z ， GUO X Y ， et al . Mechanism analysis and suppression method of ultra-low-frequency oscillations caused by hydropower units ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2018 ， 103 ： 102 - 114 .

WANG P ， LI B H ， JIANG Q ， et al . The occurrence mechanism and damping method of ultra-low-frequency oscillations ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2021 ， 15 （ 5 ）： 1100 - 1115 .

薛安成，王嘉伟，刘晓博，等 . 电力系统超低频频率振荡机理分析与抑制研究现状与展望［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 2 ）： 553 - 567 .

XUE Ancheng ， WANG Jiawei ， LIU Xiaobo ， et al . Survey and prospect of ultra-low frequency oscillation mechanism analysis and suppression in power system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 553 - 567 .

孙检，廖凯，何正友，等 . 兼顾超低频振荡抑制与一次调频的水电集群参数优化方法［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 16 ）： 120 - 131 .

SUN Jian ， LIAO Kai ， HE Zhengyou ， et al . Parameter optimization method for hydropower clusters balancing ultra-low-frequency oscillation suppression and primary frequency regulation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 16 ）： 120 - 131 .

李莹，富亚洲，王官宏，等 . 电力系统超低频频率振荡分析及扰动源定位［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1770 - 1780 .

LI Ying ， FU Yazhou ， WANG Guanhong ， et al . Ultra-low frequency oscillation analysis and location in power system ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1770 - 1780 .

SUN L ， ZHAO X W . Modelling and analysis of frequency-responsive wind turbine involved in power system ultra-low frequency oscillation ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2022 ， 13 （ 2 ）： 844 - 855 .

何廷一，束洪春，李胜男，等 . 风电参与调频对电力系统超低频振荡的影响分析［J］. 可再生能源， 2023 ， 41 （ 8 ）： 1113 - 1121 .

HE Tingyi ， SHU Hongchun ， LI Shengnan ， et al . Analysis of the influence of wind power participating in frequency regulation on the ultra-low frequency oscillation of power system ［J］. Renewable Energy Resources ， 2023 ， 41 （ 8 ）： 1113 - 1121 .

XI X Z ， GENG H ， YANG G ， et al . Two-level damping control for DFIG-based wind farm providing synthetic inertial service ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2018 ， 54 （ 2 ）： 1712 - 1723 .

刘思佳，刘海涛，张隽，等 . 基于等效阻抗的虚拟同步机电压支撑影响因素分析与改进控制策略研究［J］. 电工技术学报， 2025 ， 40 （ 9 ）： 2738 - 2751 .

LIU Sijia ， LIU Haitao ， ZHANG Jun ， et al . Research on the analysis of virtual synchronous generator voltage support influence factors and improvement control strategies based on equivalent impedance ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2025 ， 40 （ 9 ）： 2738 - 2751 .

韩应生，孙海顺，秦世耀，等 . 电压源型双馈风电并网系统小扰动低频稳定性分析［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 5 ）： 1312 - 1324 .

HAN Yingsheng ， SUN Haishun ， QIN Shiyao ， et al . Low-frequency stability analysis of voltage-sourced doubly-fed wind power grid-connected system under small disturbance ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 5 ）： 1312 - 1324 .

唐王倩云，张睿，胡家兵 . 用于系统暂态行为分析的双馈风机转子转速控制时间尺度暂态模型［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 9 ）： 3037 - 3045 .

TANG Wangqianyun ， ZHANG Rui ， HU Jiabing . Modelling of DFIG-based WT for power system transient responses analysis in rotor speed control timescale ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 9 ）： 3037 - 3045 .

TABESH A ， IRAVANI R . On the application of the complex torque coefficients method to the analysis of torsional dynamics ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2005 ， 20 （ 2 ）： 268 - 275 .

KUNDUR P . Power system stability and control ［M］. New York， USA ： McGraw-Hill ， 1994 .

叶希，徐韵扬，朱童，等 . 计及新能源低穿影响的系统频率响应模型［J］. 电网与清洁能源， 2024 ， 40 （ 11 ）： 120 - 128 .

YE Xi ， XU Yunyang ， ZHU Tong ， et al . A system frequency response model considering impacts of new energy’s LVRT ［J］. Power System and Clean Energy ， 2024 ， 40 （ 11 ）： 120 - 128 .

袁小明，张美清，迟永宁，等 . 电力电子化电力系统动态问题的基本挑战和技术路线［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 5 ）： 1904 - 1917 .

YUAN Xiaoming ， ZHANG Meiqing ， CHI Yongning ， et al . Basic challenges of and technical roadmap to power-electronized power system dynamics issues ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 5 ）： 1904 - 1917 .

CLARK K ， MILLER N W ， SANCHEZ-GASCA J J . Modeling of GE wind turbine-generators for grid studies ［R］. Schenectady， USA ： GE Energy ， 2010 .

WANG D ， GUO Y J ， HUANG Y H ， et al . Torsional vibration analysis of virtual-synchronous-controlled DFIG-based wind turbines ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2025 ， 16 （ 3 ）： 2044 - 2057 .

BIANCHI F D ， DE BATTISTA H ， MANTZ R J . Wind turbine control systems： principles， modelling and gain scheduling design ［M］. Berlin， Germany ： Springer ， 2007 .

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