Voltage Equalizing Control for Series DC Wind Farm with Hierarchical Voltage Equalizer

ZHOU Zhonghan; FAN Yanfang; HOU Junjie; WANG Yibo; WANG Yaqiang

doi:10.12204/j.issn.1000-7229.2025.11.012

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Voltage Equalizing Control for Series DC Wind Farm with Hierarchical Voltage Equalizer

Renewable Energy and Energy Storage | 更新时间：2025-10-29

- Voltage Equalizing Control for Series DC Wind Farm with Hierarchical Voltage Equalizer
- Electric Power Construction Vol. 46, Issue 11, Pages: 130-144(2025)
- 作者机构：
  
  1.新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐市 830017
  2.中国科学院电工研究所，北京市 100190
  3.国网重庆市电力公司綦江供电分公司，重庆市401420
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  the National Key Research and Development Program of China(2021YFB1507000);the Tianshan Talent Training Program(2022TSYCLJ0019)
- DOI：10.12204/j.issn.1000-7229.2025.11.012
  CLC： TM614
- Received：19 June 2025，
  
  Revised：2025-09-21，
  
  Published：01 November 2025
- 稿件说明：
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周忠寒,樊艳芳,侯俊杰等.基于分层式直流均压器的串联型全直流风电场均压控制[J].电力建设,2025,46(11):130-144.

ZHOU Zhonghan,FAN Yanfang,HOU Junjie,et al.Voltage Equalizing Control for Series DC Wind Farm with Hierarchical Voltage Equalizer[J].Electric Power Construction,2025,46(11):130-144.
周忠寒,樊艳芳,侯俊杰等.基于分层式直流均压器的串联型全直流风电场均压控制[J].电力建设,2025,46(11):130-144. DOI： 10.12204/j.issn.1000-7229.2025.11.012.

ZHOU Zhonghan,FAN Yanfang,HOU Junjie,et al.Voltage Equalizing Control for Series DC Wind Farm with Hierarchical Voltage Equalizer[J].Electric Power Construction,2025,46(11):130-144. DOI： 10.12204/j.issn.1000-7229.2025.11.012.

摘要

目的

串联型全直流风电场通过直流型风电机组（DC wind turbine，DCWT）直接串联实现风能直流汇集与直流传输，发展前景广阔，然而，由于串联DCWT之间存在电压、功率耦合特性，串联型全直流风电场在控制与保护方面面临严峻挑战，文章提出一种基于分层式直流均压器的均压控制方案。

方法

首先，提出一种分层式直流均压器电路，分析底层、顶层均压电路的工作机理，并依据图论方法，验证分层式均压拓扑在均压速度上的优势。其次，基于均压原理，设计与之相匹配的协调控制策略。最后，基于Matlab/Simulink搭建基于分层式直流均压器的串联型全直流风电场仿真模型，对串联系统在风功率不均衡下稳态工况与故障DCWT切出下故障工况进行仿真。

结果

仿真结果表明，所提方案可有效实现串联DCWT电压、功率解耦控制，且相较仅采用单层均压拓扑，在均压速度、电压波动幅度方面更具先进性。

结论

所提分层式直流均压器可显著改善串联型全直流风电场的运行特性，使各DCWT能够独立运行在最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）状态，避免了各DCWT功率存在差异时的过电压与风功率损失等问题，为串联型全直流风电场的稳定运行与功率优化提供一种解决方案。

Abstract

Objective

A series DC wind farm realizes the DC collection and transmission by connecting the DCWTs in series. This has broad developmental prospects. However， owing to the coupling characteristics of voltage and power， a series DC wind farm faces severe challenges in control and protection. Therefore， this study proposes a voltage equalizing control scheme based on a hierarchical DC voltage equalizer.

Methods

First， a hierarchical DC voltage equalizer circuit is proposed， its working principle is analyzed， and the advantages of the hierarchical voltage equalizing topology are verified based on the graph theory. Second， a matching coordinated control strategy is designed based on the principle of voltage equalization. Finally， to simulate the steady condition under unbalanced output power and fault conditions under a DCWT fault， a simulation model of series DC wind farms with a hierarchical DC voltage equalizer is established in MATLAB/Simulink.

Results

The simulation results indicated that the proposed scheme achieved decoupling control between the series DCWTs and was more advanced in equalizing the speed and amplitude of voltage fluctuations.

Conclusions

The proposed scheme significantly improved the voltage equalizing performance between the series DCWTs， enabling each DCWT to independently operate in the MPPT mode， and it avoided overvoltage and wind curtailment under power differences， providing a solution for the stable operation and power optimization of series-connected all-DC wind farms.

关键词

Keywords

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