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风电变流技术 ★ 5.0

双馈风电机组主导电力系统中电压控制与转速控制时间尺度间的跨尺度交互分析

Cross-Timescale Interaction Analysis Between Voltage-Control and Rotor-Speed-Control Timescales in DFIG-WTs-Dominated Power Systems

作者
期刊 IEEE Transactions on Power Systems
出版日期 2025年1月
技术分类 风电变流技术
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 双馈感应风力发电机 多时间尺度 跨时间尺度影响机制 终端电压控制 转子模式
语言:

中文摘要

基于双馈感应发电机(DFIG)的风力发电机组(WTs)中的储能元件和控制回路呈现出多时间尺度特性,这使得以双馈感应风力发电机组为主导的电力系统具有多时间尺度动态特性。以往的研究主要采用简化模型关注单时间尺度动态机制,或使用全时间尺度模型研究控制回路之间的相互作用现象,而忽略了控制回路与储能元件之间的跨时间尺度影响机制。本研究探讨了在以双馈感应风力发电机组为主导的电力系统中,电压控制时间尺度下的端电压控制对转子转速控制时间尺度下的转子动态的跨时间尺度影响机制。模态分析是一种基本的动态分析方法,可揭示关键参与元件。该方法揭示了端电压控制在转子模态中的跨时间尺度影响现象。然后,明确了端电压控制到转子的跨时间尺度耦合支路。此外,建立了端电压控制的等效电路。该电路通过整合双馈感应发电机和电网的电路,阐明了端控制等效电感与负载电容之间的动态耦合机制。另外,解释了端电压控制对转子模态阻尼的影响。通过在两机系统、四机两区域系统和IEEE 39节点系统中的仿真验证了所得结论。

English Abstract

Energy storage components and control loops in Doubly Fed Induction Generator (DFIG) based wind turbines (WTs) exhibit multi-timescale characteristics. This leads to multi-timescale dynamics in DFIG-WTs-dominated power systems. Previous studies primarily focused on single-timescale dynamic mechanisms using simplified models or on interaction phenomena between control loops with full-timescale models. The cross-timescale influence mechanisms between control loops and energy storage components were neglected. This study explores the cross-timescale influence mechanism of terminal voltage control at the voltage-control timescale on the rotor dynamics at the rotor-speed-control timescale in a DFIG-WTs-dominated power system. Modal analysis is a fundamental dynamic analysis method that reveals key participating elements. It uncovers the cross-timescale influence phenomena of terminal voltage control in rotor mode. Then, the cross-timescale coupling branch of terminal voltage control to the rotor is clarified. Moreover, an equivalent circuit for terminal voltage control is established. This circuit illustrates the dynamic coupling mechanism between the terminal control equivalent inductance and the load capacitance by integrating the circuits of the DFIG and the network. Additionally, the influence of terminal voltage control on rotor mode damping is explained. The conclusions are validated through simulations in the two-machine system, the four-machine two-area system, and the IEEE 39-bus system.
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SunView 深度解读

该研究对阳光电源的储能变流器和风电变流器产品具有重要参考价值。研究揭示的电压控制与转速控制的跨尺度耦合机理,可直接应用于ST系列储能变流器的VSG控制优化,提升其在弱电网条件下的稳定性。同时,这种多时间尺度分析方法也可用于PowerTitan大型储能系统的控制策略设计,特别是在高比例新能源接入场景下的电压支撑能力提升。对于公司正在开发的风电变流产品,该研究提供的暂态过程交互影响机制分析,有助于改进控制器参数整定方法,提高系统动态性能。建议将该技术应用于储能产品的GFM控制和风电产品的并网控制优化中。