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风电变流技术 SiC器件 工商业光伏 多物理场耦合 ★ 5.0

风力发电机多物理系统与交流电网的功率传播及频率耦合特性

Power Propagation And Frequency Coupling Characteristics of Wind Turbine Multi-Physical System With AC Grid

作者 Lulan Yin · Weihao Hu · Rongwu Zhu · Marco Liserre · Zhe Chen
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2025年3月
技术分类 风电变流技术
技术标签 SiC器件 工商业光伏 多物理场耦合
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 风力发电机系统 双馈感应发电机 电网振荡 多物理域建模 控制方案
语言:

中文摘要

工业领域报告显示,基于风力发电机(WT)的能源系统易导致电网出现振荡问题。风力发电机系统与光伏系统的主要区别之一在于其一次能源的特性,前者是旋转的,而后者是静态的。因此,本文推导了基于双馈感应发电机(DFIG)的风力发电机系统的多物理域建模,该系统由空气动力学、力学、电磁学、电力电子学和控制系统组成,以研究从风能到电网的功率传播和频率耦合特性,展示风力发电机系统对电网性能的影响。理论分析表明,风能中的 $3n$p Hz 畸变可转换为交流电网中的 $(50\pm 3n)$p Hz 振荡。详细研究了双馈感应发电机不同控制方案(功率控制和速度控制)的影响,结果表明背靠背变流器的控制方案对功率传播特性有重要影响。基于 PLECS 的仿真结果和基于 OPAL - RT 的测试结果清楚地验证了理论分析的正确性。

English Abstract

Industrial field reports show that wind turbine (WT)-based energy systems are prone to result in power grids suffering from oscillating problems. One of the main differences between the WT system and the photovoltaic system is the property of their primary energy, the former is rotating and the latter is static. Hence, in this paper, the multi-physical domain modeling of a doubly-fed induction generator (DFIG)-based wind turbine system, composed of aerodynamics, mechanics, electromagnetism, power electronics and control system, is derived to study the power propagation and frequency coupling characteristics from wind energy to electricity grids, showing the impacts of the WT system on electricity grid performances. Theoretical analysis shows that the 3n p Hz distortion in wind energy can be converted to 50 3n p Hz oscillations in AC grids. The impacts of different control schemes (power control and speed control) of DFIG are studied in detail to show that the control schemes of the back-to-back converter play a significant role in influencing the power propagation characteristics. The results of PLECS-based simulation and OPAL-RT-based test clearly validate the correctness of the theoretical analyzes.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,本文针对风电系统的多物理域建模与频率耦合特性研究具有重要的参考价值。虽然研究对象是双馈风电系统,但其揭示的能量传播机制和电网振荡问题与我司光伏、储能系统面临的电网稳定性挑战存在本质共性。

该研究的核心发现——风能扰动通过机械-电磁耦合转化为电网侧的特定频率振荡(3np Hz转换为50±3np Hz),为我司多能互补系统的协调控制提供了理论基础。特别是在风光储一体化项目中,理解不同新能源设备的频率耦合特性对于优化系统级控制策略至关重要。论文强调的背靠背变流器控制方案对功率传播特性的显著影响,与我司光伏逆变器和储能变流器的控制逻辑设计高度相关。

从技术成熟度评估,该研究采用PLECS仿真和OPAL-RT硬件在环测试进行验证,方法论严谨且具备工程应用基础。对我司而言,这套多物理域建模方法可迁移应用于:一是完善光伏系统在弱电网条件下的振荡抑制策略;二是优化储能系统的功率响应特性,提升其在混合新能源场站中的阻尼能力;三是开发更精准的电网适应性评估工具。

技术挑战在于风电的旋转特性与光伏静态特性差异显著,需要针对性地建立光伏系统的等效多物理模型。但机遇同样明显:通过吸收该研究的频域分析方法,我司可强化在复杂电网环境下的系统解决方案能力,特别是在高比例新能源接入场景下,这将成为差异化竞争优势。建议跟踪相关控制算法的专利布局,并探索在1500V+大功率系统中的验证应用。