[论文解读] Unified Grid-Forming Control of PMSG Wind Turbines for Fast Frequency Response and MPPT

Xue Lyu, Irina Subotić+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

Microgrid Control and Optimization被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于永磁同步发电机（PMSG）风力涡轮机的统一双端口下垂控制，无需模式切换即可无缝集成最大功率点跟踪（MPPT）与快速频率响应。通过稳定交流侧和直流侧端口，并利用转子速度与桨距控制，该控制器在保持无锁相环（PLL）同步的同时，实现了惯性响应与一次调频支撑，提升了系统频率稳定性，仿真结果表明在不同风速下均实现了更低的频率最低点与更高的RoCoF（频率变化率）。

ABSTRACT

In this work we present a novel dual-port grid-forming control strategy, for permanent magnet synchronous generator wind turbines with back-to-back voltage source converters, that unifies the entire range of functions from maximum power point tracking (MPPT) to providing inertia and fast frequency response without explicit mode switching between grid-following and grid-forming control. The controls impose a well-defined AC voltage at the grid-side converter (GSC) and the machine-side converter (MSC) AC terminals and explicitly stabilize the DC-link capacitor voltage through both GSC and MSC. The wind turbine's kinetic energy storage and curtailment are adjusted through a combination of implicit rotor speed control and pitch angle control and directly determine the operating mode and level of grid support. Moreover, we provide analytical small-signal stability conditions for a simplified system and explicitly characterize the relationship between control gains, curtailment, and the wind turbines steady-state response. Finally, a detailed simulation study is used to validate the results and compared the proposed control with state-of-the-art MPPT control.

研究动机与目标

• 消除PMSG风力涡轮机中电网跟踪（GFL）与电网形成（GFM）控制之间显式的模式切换需求。
• 通过利用转子动能与桨距控制，实现无缝的惯性与快速频率响应支撑。
• 在不依赖锁相环（PLL）的前提下，稳定交流侧与直流侧端口，确保鲁棒同步。
• 在单一控制框架内统一最大功率点跟踪（MPPT）、直流-link电压控制与电网支撑功能。
• 分析控制增益、功率削减与稳态系统响应之间关系的理论特性。

提出的方法

• 控制器在电网侧变流器（GSC）与电机侧变流器（MSC）端口均施加定义明确的交流电压。
• 通过协调控制GSC与MSC，稳定直流-link电容电压，确保直流侧稳定运行。
• 系统通过隐式转子速度控制与桨距角控制管理功率削减，并确定电网支撑能力。
• 采用双端口下垂控制范式，若任一交流侧或直流侧端口电压稳定，则系统即保持稳定。
• 通过根据系统频率偏差动态调节有功功率注入，实现快速频率响应。
• 通过预设延迟因子（η_del）实现功率削减策略，允许在最大功率点以下受控运行以支持电网。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过单一控制策略在PMSG风力涡轮机中统一MPPT与下垂控制功能，而无需显式模式切换？
• RQ2 控制增益、功率削减与风力涡轮机稳态频率响应之间的关系是什么？
• RQ3 所提出的控制器如何利用转子动能与桨距控制实现快速频率响应与惯性支撑？
• RQ4 在简化系统中，所提出的双端口下垂控制的小信号稳定性条件是什么？
• RQ5 与传统MPPT及GFM控制相比，该控制器在不同风速与负载扰动下的性能表现如何？

主要发现

• 在低风速（8 m/s）条件下，控制器将频率最低点从GFL MPPT的49.397 Hz提升至49.644 Hz。
• 在中等风速（10 m/s）下，频率最低点改善至49.613 Hz，稳态频率从49.709 Hz提升至49.724 Hz。
• 在高风速（12 m/s）下，当K_θ^msc = 1时，控制器保持频率下垂系数高于2%，实现显著的下垂响应。
• 控制器实现了无锁相环（PLL）同步与稳定的直流电压控制，即使在大扰动下亦能保持稳定。
• 仿真结果证实，与GFL MPPT及GFM MPPT策略相比，该统一控制策略在RoCoF与频率最低点方面均表现出更优的改善效果。
• 控制器的电网支撑能力明确关联于风力涡轮机的运行点，低风速时转子动能储备更高，支撑能力更强。