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. 论文提出一种基于双端口GFM控制的整体GFM控制策略，旨在提升HVDC-OWPP系统的频率响应能力和同步性。
  3. 通过仿真验证，所提出的整体GFM控制策略在FCR和惯性响应方面表现出可行性和有效性。

📝 摘要（中文）

高压直流（HVDC）连接的海上风电场（OWPPs）有望提供惯性响应和频率抑制储备（FCR），以应对电力系统中电力电子设备日益普及所带来的频率控制挑战。最初以基于通信的并网跟随（GFL）控制为主，但最近的研究已转向将无通信的并网形成（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和惯性响应的传输仿真，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基础设施，并且在应对电网扰动时，频率响应能力有限。随着电力系统中电力电子设备的渗透率不断提高，电网的惯性降低，频率稳定性面临严峻挑战。因此，需要一种能够提供快速、可靠频率响应的控制策略，以增强HVDC-OWPP系统的电网支撑能力。

核心思路：论文的核心思路是采用无通信的GFM控制，并在此基础上提出一种整体GFM控制策略。该策略基于双端口GFM控制，旨在改善整个AC-DC-AC动态过程中的协调，从而提高系统的频率响应能力和同步性。通过在HVDC系统和OWPP上分别实施GFM控制，并考虑陆上和海上频率的异步性，实现更有效的频率控制。

技术框架：整体框架包括以下几个主要步骤：1) 建立典型HVDC-OWPP系统的频率响应模型，用于GFM控制设计。2) 分别在HVDC系统和OWPP上实现双端口GFM控制和虚拟同步发电机控制。3) 提出整体GFM控制策略，以改善同步和直流电压调节。4) 通过仿真验证所提出控制策略的可行性和有效性。

关键创新：论文的关键创新在于提出了整体GFM控制策略，该策略能够改善HVDC-OWPP系统中AC-DC-AC动态过程的协调，从而提高系统的频率响应能力和同步性。与传统的GFL控制相比，GFM控制无需依赖通信基础设施，具有更高的可靠性和灵活性。此外，该策略还考虑了陆上和海上频率的异步性，从而能够更有效地控制系统的频率。

关键设计：论文中，双端口GFM控制和虚拟同步发电机控制分别应用于HVDC系统和OWPP。整体GFM控制策略的关键在于协调这两个控制器的动作，以实现最佳的频率响应和同步性能。具体的参数设置和控制算法需要根据系统的具体参数进行调整和优化。论文中提到开发了典型HVDC-OWPP系统的频率响应模型，这为控制器的设计和参数整定提供了重要的依据。

📊 实验亮点

通过仿真实验验证了所提出的整体GFM控制策略在提供FCR和惯性响应方面的可行性和有效性。具体性能数据和对比基线未在摘要中明确给出，但强调了该控制策略能够改善同步和直流电压调节，表明其在提高系统整体性能方面具有显著优势。

🎯 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，提高风电场对电网的支撑能力，增强电网的频率稳定性。随着可再生能源渗透率的不断提高，该技术对于构建更加稳定、可靠和可持续的电力系统具有重要意义。未来，该技术还可扩展到其他类型的可再生能源发电系统，例如光伏发电系统。

📄 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.