Holistic Grid-Forming Control for HVDC-Connected Offshore Wind Power Plants to Provide Frequency Response

📄 arXiv: 2509.17672v1 📥 PDF

作者: Zhenghua Xu, Dominic Gross, George Alin Raducu, Hesam Khazraj, Nicolaos A. Cutululis

分类: eess.SY

发布日期: 2025-09-22

备注: This is the author's version of the paper accepted for presentation at IEEE PowerTech 2025. The final version will be available via IEEE Xplore

期刊: 2025 IEEE Kiel PowerTech, Kiel, Germany, 2025, pp. 1-6

DOI: 10.1109/PowerTech59965.2025.11180312

💡 一句话要点

提出用于高压直流连接的海上风电场的整体并网控制，以提供频率响应

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 高压直流输电 海上风电场 并网形成控制 频率响应 虚拟同步发电机

📋 核心要点

  1. 传统HVDC-OWPP系统依赖通信的GFL控制，频率响应能力受限，难以应对电力电子渗透率增加带来的挑战。
  2. 论文提出一种整体GFM控制策略，基于双端口GFM控制，旨在提升AC-DC-AC动态过程的协调性，改善频率响应。
  3. 通过仿真验证，所提出的控制策略能够有效提供FCR和惯性响应，证明了其可行性和有效性。

📝 摘要（中文）

高压直流（HVDC）连接的海上风电场（OWPPs）预计将提供惯性响应和频率抑制储备（FCR），以帮助解决电力系统中电力电子设备渗透率不断增长所带来的频率控制挑战。最初以基于通信和并网跟随（GFL）控制为主，最近的研究工作已转向将无通信和并网形成（GFM）控制纳入HVDC-OWPP系统，以增强其频率响应能力。本文提出了一种基于双端口GFM控制的整体GFM控制，以改善整个AC-DC-AC动态过程中的协调。开发了典型HVDC-OWPP系统的频率响应模型，用于GFM控制设计。然后，分别在典型系统的HVDC系统和OWPP上实现了双端口GFM控制和虚拟同步发电机控制，揭示了陆上和海上频率的异步性。接下来，提出了整体GFM控制，以改善同步和直流电压调节。最后，进行了FCR和惯性响应的交付仿真，以验证所提出控制的可行性和有效性。

🔬 方法详解

问题定义：现有HVDC-OWPP系统主要采用基于通信的GFL控制，这种控制方式依赖于快速可靠的通信链路，一旦通信出现问题，系统的频率响应能力将受到严重影响。此外，随着电力系统中电力电子设备的渗透率不断提高，传统的同步发电机逐渐被替代，导致系统惯性降低，频率稳定性面临挑战。因此，需要一种能够独立运行、不依赖通信且能提供足够惯性响应的控制策略来增强HVDC-OWPP系统的频率稳定性。

核心思路：本文的核心思路是采用并网形成（GFM）控制，使HVDC-OWPP系统能够像同步发电机一样自主地维持电网电压和频率。通过在HVDC系统和OWPP上分别实施双端口GFM控制和虚拟同步发电机控制，并在此基础上提出整体GFM控制，从而实现对整个AC-DC-AC系统的协调控制，提高系统的同步性和直流电压调节能力。

技术框架：该方法的技术框架主要包括以下几个部分：1) 建立HVDC-OWPP系统的频率响应模型，用于GFM控制器的设计和参数整定。2) 在HVDC系统的交流侧和直流侧分别采用双端口GFM控制，实现对交流电压和直流电压的独立控制。3) 在OWPP侧采用虚拟同步发电机控制，模拟同步发电机的惯性特性，提供惯性响应。4) 提出整体GFM控制策略，通过协调HVDC系统和OWPP的控制，提高系统的同步性和直流电压调节能力。

关键创新：本文最重要的技术创新点在于提出了整体GFM控制策略，该策略能够有效地协调HVDC系统和OWPP的控制，从而提高系统的同步性和直流电压调节能力。与传统的GFL控制相比，GFM控制不需要依赖通信链路，具有更高的可靠性和鲁棒性。与单一的GFM控制相比，整体GFM控制能够更好地协调整个AC-DC-AC系统的动态过程，从而获得更好的频率响应性能。

关键设计：在双端口GFM控制中，需要仔细设计交流侧和直流侧的电压控制环，以保证系统的稳定性和快速响应。在虚拟同步发电机控制中，需要合理选择虚拟惯性常数和阻尼系数，以提供合适的惯性响应。在整体GFM控制中，需要设计合适的协调控制策略，以平衡HVDC系统和OWPP之间的功率分配，并保证系统的同步性和直流电压稳定。

📊 实验亮点

通过仿真实验验证了所提出的整体GFM控制策略的可行性和有效性。实验结果表明，该控制策略能够有效地提供FCR和惯性响应，提高了HVDC-OWPP系统的频率稳定性。具体性能数据（例如频率偏差降低幅度、响应时间缩短等）未在摘要中明确给出，需要在论文正文中查找。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于大规模海上风电场的并网控制，提高风电场对电网频率的支撑能力，增强电网的稳定性和可靠性。尤其是在高比例可再生能源接入的电力系统中，该技术具有重要的应用价值，有助于实现能源转型和可持续发展。

📄 摘要（原文）

HVDC-connected offshore wind power plants (OWPPs) are expected to provide inertial response and frequency containment reserve (FCR) to help address the frequency control challenges caused by the growing penetration of power electronics in power systems. Initially dominated by communication-based and grid-following (GFL) control, recent efforts have shifted towards incorporating communication-free and grid-forming (GFM) control into HVDC-OWPP systems to enhance their frequency response capability. This paper proposes a holistic GFM control based on dual-port GFM control to improve the coordination across the entire AC-DC-AC dynamics. A frequency response model of a typical HVDC-OWPP system is developed for GFM control design. Then, dual-port GFM control and virtual synchronous generator control are implemented respectively on the HVDC system and OWPP of the typical system, where the asynchronism of onshore and offshore frequencies is revealed. Next, holistic GFM control is proposed to improve the synchronization and DC voltage regulation. Finally, simulations on the delivery of FCR and inertial response are carried out to verify the feasibility and effectiveness of the proposed control.