Short-term frequency support control strategy of wind turbine-VSC-HVDC-energy storage based on optimal control principle

Chen Xiaojing; Dong Haiying; Che Yulong

doi:10.16081/j.epae.202604009

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Short-term frequency support control strategy of wind turbine-VSC-HVDC-energy storage based on optimal control principle

ENERGY STORAGE PLANNING\，REGULATION AND OPERATION FOR POWER SYSTEM WITH HIGH PENETRATION OF RENEWABLE ENERGY | 更新时间：2026-06-29

- Short-term frequency support control strategy of wind turbine-VSC-HVDC-energy storage based on optimal control principle
- Electric Power Automation Equipment Vol. 46, Issue 7, Pages: 87-96(2026)
- 作者机构：
  
  1.兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070
  2.兰州交通大学新能源与动力工程学院，甘肃兰州 730070
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  the National Natural Science Foundation of China(52467008);the Youth Science Foundation of Gansu Province(23JRRA1701);the Young Scholars Science Foundation of Lanzhou Jiaotong University(1200061258)
- DOI：10.16081/j.epae.202604009
  CLC： TM614;TM761
- Received：18 June 2025，
  
  Revised：2025-12-17，
  
  Online First：17 April 2026，
  
  Published：10 July 2026
- 稿件说明：
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陈晓婧,董海鹰,车玉龙.基于最优控制原理的风-直-储短时频率支撑控制策略[J].电力自动化设备,2026,46(07):87-96.

Chen Xiaojing,Dong Haiying,Che Yulong.Short-term frequency support control strategy of wind turbine-VSC-HVDC-energy storage based on optimal control principle[J].Electric Power Automation Equipment,2026,46(07):87-96.
陈晓婧,董海鹰,车玉龙.基于最优控制原理的风-直-储短时频率支撑控制策略[J].电力自动化设备,2026,46(07):87-96. DOI： 10.16081/j.epae.202604009.

Chen Xiaojing,Dong Haiying,Che Yulong.Short-term frequency support control strategy of wind turbine-VSC-HVDC-energy storage based on optimal control principle[J].Electric Power Automation Equipment,2026,46(07):87-96. DOI： 10.16081/j.epae.202604009.

摘要

针对直流受端系统转动惯量低、调频能量有限引起的频率稳定问题，提出一种计及风-直-储系统参与短时频率支撑的分层控制策略。在频率下降阶段，设计双层优化控制：上层控制以改善系统频率特性为优化目标，考虑调频功率和调频能量约束，构建频率最优控制模型，求解得到风-直-储系统的最优功率控制曲线；下层控制以风-直-储系统的运行稳定性和经济性为优化目标，构建功率分配优化模型，基于模型预测控制求解得到风机、柔性直流和储能的有功功率控制指令。在频率恢复阶段，设计风机转子转速快速恢复策略，将风机转速恢复至初始值的同时，确保系统频率不发生二次跌落。算例仿真结果表明，所提控制策略可以有效改善系统的频率稳定性，实现控制功率的合理分配。

Abstract

Aiming at the frequency stability problem caused by the low rotational inertia and limited frequency regulation energy of the DC receiving-end system，a hierarchical control strategy considering the participation of wind turbine-voltage source converter based high voltage direct current（VSC-HVDC）-energy storage system in short-term frequency support is proposed. During the frequency drop stage，a two-layer optimization control is designed. The upper-layer control takes improving the system frequency characteristics as the optimization objective. Considering the constraints of frequency regulation power and energy，a frequency optimal control model is constructed，and the optimal power control curves of wind turbine-VSC-HVDC-energy sto-rage system are derived through solving the model. The lower-layer control takes the operational stability and economic efficiency of the wind turbine-VSC-HVDC-energy storage system as the optimization objectives，and establishes a power allocation optimization model. Based on model predictive control，the active power control commands for wind turbine，VSC-HVDC and energy storage are obtained by solving the model. During the frequency recovery stage，a rapid recovery strategy for the wind turbine rotational speed is designed to restore the wind turbine speed to its initial value while ensuring that no secondary frequency drop occurs in the system. The simulative results of case study show that the proposed control strategy can effectively improve the frequency stability of the system and achieve a reasonable distribution of control power.

关键词

Keywords

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