论文标题：Analysis and stabilization control of a voltage source controlled wind farm under weak grid conditions (弱电网条件下电源控制型风电场的分析与稳定控制)

期刊：Frontiers in Energy

作者：Shun SANG, Chen ZHANG, Jianwen ZHANG, Gang SHI, Fujin DENG

发表时间： 21 Dec 2021

DOI：10.1007/s11708-021-0793-5

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研究亮点

本文研究并讨论了风电场接入弱电网时的交互稳定性问题，其中风电机组采用新型惯性同步电压源控制策略。研究发现：

1) 惯性同步电压源控制策略能够提高风电场对电网的惯量支撑能力；

2) 随着电压源控制型风电场内机组数量、风电机组惯量响应深度的增加，电压源控制型风电场的稳定性逐渐降低，容易出现振荡失稳等问题；

3) 通过在风电机组机侧变换器上加入所提出的稳定控制策略，有助于提高电压源控制型风电场的整体稳定裕度。

中文摘要

本文研究并讨论了风电场接入弱电网时的交互稳定性问题，其中风电机组采用新型电压源控制策略，该种电压源控制策略可有效提高单台风电机组的惯量响应能力。然而，将其应用于含有多台机组的风电场时，电压源控制型风电场与电网的交互特性仍未可知。

为此，本文首先建立了电压源控制下风电场的频域模型，在此基础上结合稳定性量化指标，系统评估了风电场与弱电网之间的交互作用。研究结果表明，电压源控制策略的惯量响应对风电场并网系统的稳定裕度产生负面影响，系统的交互模态为风电场内机组间的交互作用。本文提出一种稳定控制策略，旨在满足风电场惯量响应需求的同时，提高其与电网的交互稳定性。最后，基于PSCAD/EMTDC软件的时域仿真验证了研究结果的正确性。

研究背景及意义

随着风电接入电力系统比例的不断提高，其对电网的安全稳定运行产生不可忽略的影响。高比例风电接入等效降低电力系统的转动惯量、以及电压支撑能力，使电网呈现出低惯量、低短路比的弱电网特征。高比例风电并网主要面临以下两个方面的问题：一是缺乏惯量支撑能力，导致电力系统出现频率失稳问题；二是风电机组与电网异常交互引发一系列振荡失稳问题，例如低频振荡、次同步振荡以及超同步振荡等，危及电网的安全稳定运行。

风电变换器的控制是影响风电机组并网性能的关键。目前，风电变换器的常规控制策略采用锁相环与电网同步、定向，并以电流注入的形式实现功率调节，体现出电流源特性，这种控制策略可称之为电流源控制。电流源控制属于电网跟随式的控制，缺乏主动惯量支撑能力，适用于以同步发电机为主导的电网环境。另一方面，高比例风电接入时，电网的线路阻抗会激化风电变换器锁相环与电流环之间的异常交互作用，引发振荡失稳问题；虽能通过附加辅助控制环路提高稳定性，但这种方法对电网的适应性不佳。

电压源控制通过模拟同步发电机方程，直接控制变换器输出电压的幅值和相位，具有无锁相环自主同步电网的功能，属于形成式并网控制方式。电压源控制的变换器能够主动支撑电网，呈现出类似同步发电机的电压源外特性，适用于以新能源为主导电源的新型电力系统。虚拟同步发电机控制、功率同步控制等均可看作是电压源控制，然而其适用于具有稳定功率源输入的变换器，存在一定的局限性。

基于惯性同步的电压源控制方法适用于输入功率具有间歇性、波动性的全功率风电机组，能够有效提高风电机组对电网的惯量支撑以及弱电网稳定运行能力。然而，对于由众多电压源控制的风电机组构成的风电场，其与电网的交互作用更为复杂，分析该风电场-电网互联系统的稳定性并进行致稳控制是亟待解决的问题。本文是从电源端协同电力系统解决高比例风电并网出现的惯量缺失、振荡失稳难题的有效途径，具有广阔的应用前景，对促进风电的大规模开发与可靠利用具有重要意义。

图1 电压源控制型风电场的拓扑结构

研究内容及主要结论

采用阻抗法研究电压源控制型全功率风电机组的多机交互稳定性问题。为了分析风电场的稳定性，建立旋转dq坐标系下电压源控制型全功率风电机组的输出阻抗模型，推导了输出阻抗的解析表达式。研究风电场接入弱电网时的稳定性，需要根据风电场汇集网的拓扑结构以及电路原理计算风电场的聚合阻抗，在此基础上，提出了一种衡量电压源控制型风电场并网系统稳定裕度的量化指标。针对电压源控制型风电场与弱电网之间的交互失稳问题，提出一种在机侧变换器上增加阻尼的稳定控制方法，有效提高了电压源控制型风电场的稳定性。

图2给出了电压源控制型风电场的阻尼比随惯量传递系数变化的曲线。图2(a)中仅采用网侧稳定控制，随着惯量传递系数K_C的增大，风电场的阻尼比逐渐降低，当惯量传递系数大于2.7时，风电场的阻尼比降低到0以下，说明此时电压源控制型风电场运行失稳。图2(b)中采用了本文提出的机侧稳定控制策略，在惯量传递系数KC增大到100时，风电场的阻尼比仍然大于零，说明所提出机侧稳定控制策略能够有效提高电压源控制型风电场稳定性。

图2 电压源控制型风电场的阻尼比曲线

(a) 采用网侧稳定控制；(b) 采用本文提出的机侧稳定控制。

图3给出了电压源控制型风电场的阻尼比随惯量传递系数、风电场内机组台数变化的三维曲线，其中图3(a)未加入稳定控制策略，图3(b)中仅加入网侧稳定控制策略，图3(c)中同时加入网侧、机侧稳定控制策略。对比图3(a)、(b)、(c)不难看出，加入所提出的机侧稳定控制策略能够实现含数十台机组的电压源控制型风电场在弱电网下稳定运行。

图3 电压源控制型风电场的三维阻尼比曲线

(a) 不采用稳定控制策略；(b) 采用网侧稳定控制策略；

(c) 同时采用网侧、机侧稳定控制策略。

图4给出了电压源控制型风电场的仿真波形，其中仿真平台为PSCAD/EMTDC，图4(a)中未加入稳定控制策略，图4(b)中同时加入网侧、以及所提机侧稳定控制策略。图4(a)中风电场内风电机组的惯量传递系数KC由0.48增大到0.49，风电机组、风电场的输出功率均振荡发散，说明增大机组的惯量传递系数会降低电压源控制型风电场的稳定性。图4(b)中同时加入网侧、以及所提机侧稳定控制策略，在机组惯量传递系数增大到60.02后，风电场仍然稳定运行，说明提出的机侧稳定控制策略能够极大地增强电压源控制型风电场的稳定性，验证了理论分析的正确性。

(a)

(b)

图4 电压源控制型风电场的仿真波形

(a) 未加入稳定控制策略；(b)同时加入网侧、以及所提机侧稳定控制策略。

主要作者简介

桑顺，工学博士，讲师，从事新能源发电系统的建模、控制与稳定分析等方面的研究工作；

张琛，工学博士，长聘教轨副教授，研究方向是新能源发电与并网控制、新能源电力电子系统的时频域建模与稳定机理分析。

原文信息

Analysis and stabilization control of a voltage source controlled wind farm under weak grid conditions

Shun SANG¹, Chen ZHANG², Jianwen ZHANG², Gang SHI², Fujin DENG³

作者单位：

1、School of Electrical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China

2、Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion of the Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

3、School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China

Abstract：

This paper investigates and discusses the interaction stability issues of a wind farm with weak grid connections, where the wind turbines (WTs) are controlled by a new type of converter control strategy referred to as the voltage source (VS) control. The primary intention of the VS control method is to achieve the high-quality inertial response capability of a single WT. However, when it is applied to multiple WTs within a wind farm, its weak-grid performance regarding the stability remains concealed and needs to be clarified. To this end, a frequency domain model of the wind farm under the VS control is first developed. Based on this model and the application of a stability margin quantification index, not only the interactions between the wind farm and the weak grid but also those among WTs will be systematically assessed in this paper. A crucial finding is that the inertial response of VS control has negative impacts on the stability margin of the system, and the dominant instability mode is more related to the interactions among the WTs rather than the typical grid-wind farm interaction. Based on this knowledge, a stabilization control strategy is then proposed, aiming for stability improvements of VS control while fulfilling the demand of inertial responses. Finally, all the results are verified by time-domain simulations in power systems computer aided design/electromagnetic transients including DC(PSCAD/EMTDC).

Keywords:

weak grids, voltage source (VS) control, wind turbine (WT), stabilization control, wind farm, inertial response

Cite this article

Shun SANG, Chen ZHANG, Jianwen ZHANG, Gang SHI, Fujin DENG. Analysis and stabilization control of a voltage source controlled wind farm under weak grid conditions. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-021-0793-5

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