双馈风电机组利用转子动能进行一次调频能力动态估计

李腾辉; 李卫东; 申家锴; 沈毅; 陈琦; 李继成; 刘清晨

doi:10.7500/AEPS20221009005

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双馈风电机组利用转子动能进行一次调频能力动态估计

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 双馈风电机组利用转子动能进行一次调频能力动态估计
- Dynamic Estimation of Primary Frequency Regulation Capability of Doubly-fed Wind Turbines Using Rotor Kinetic Energy
- 电力系统自动化 2024年48卷第10期页码：109-117
- 作者机构：
  
  1.大连理工大学电气工程学院，辽宁省大连市 116024
  2.国家电网公司东北分部，辽宁省沈阳市 110180
  3.中国电力科学研究院有限公司，北京市 100192
  4.云峰发电厂，吉林省集安市 134200
- 作者简介：
  
  李腾辉(1996—)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力系统频率控制建模与分析。E-mail：litenghui08@163.com
  李卫东(1964—)，男，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：电力系统频率稳定分析与控制和电力系统频率响应资源的优化协调与调度。E-mail：wdli@dlut.edu.cn
  申家锴(1991—)，男，博士，主要研究方向：电力系统一次调频建模与分析。E-mail：shenjiakai@epri.sgcc.com.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(U22A20223);国家电网有限公司科技项目(529926220006);已申请国家发明专利（申请号：CN202310707151.X）
- DOI：10.7500/AEPS20221009005
  中图分类号：
- 收稿：2022-10-09，
  
  修回：2023-11-13，
  
  网络出版：2024-04-22，
  
  纸质出版：2024-05-25
- 稿件说明：
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李腾辉,李卫东,申家锴等.双馈风电机组利用转子动能进行一次调频能力动态估计[J].电力系统自动化,2024,48(10):109-117.

LI Tenghui,LI Weidong,SHEN Jiakai,et al.Dynamic Estimation of Primary Frequency Regulation Capability of Doubly-fed Wind Turbines Using Rotor Kinetic Energy[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(10):109-117.
李腾辉,李卫东,申家锴等.双馈风电机组利用转子动能进行一次调频能力动态估计[J].电力系统自动化,2024,48(10):109-117. DOI： 10.7500/AEPS20221009005.

LI Tenghui,LI Weidong,SHEN Jiakai,et al.Dynamic Estimation of Primary Frequency Regulation Capability of Doubly-fed Wind Turbines Using Rotor Kinetic Energy[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(10):109-117. DOI： 10.7500/AEPS20221009005.

摘要

通过释放转子动能参与一次调频的风电机组，其一次调频能力随外界工况特别是风速的波动而变化，需要动态估计一次调频能力

从而为电力系统运行规划、控制策略制定等提供依据。基于风电机组参与一次调频的功率转换动态过程分析，提出了计及风电机组转子转速动态变化的一次调频简化解析模型，借助其一次调频能力的解析解，可快速分析风速波动对风电机组一次调频能力的影响；提出双馈风电机组一次调频能力的概率解析描述，利用点估计与Gram-Charlier级数展开，获得了风电机组一次调频能力随风速波动的概率分布特征。仿真验证了所提动态解析模型的准确性和一次调频能力概率估计方法的可行性与有效性。

Abstract

The primary frequency regulation capability of doubly-fed wind turbines that participate in the primary frequency regulation by releasing rotor kinetic energy varies with external conditions

especially wind speed fluctuations. It is necessary to dynamically estimate the primary frequency regulation capability to provide a basis for power system operation planning

control strategy formulation

etc. Based on the analysis of the power conversion dynamic process of doubly-fed wind turbines participating in the primary frequency regulation

a simplified analytical model for the primary frequency regulation is proposed

which takes into account dynamic changes in the rotor speed of doubly-fed wind turbines. With the analytical solution of its primary frequency regulation capability

the impact of wind speed fluctuations on the primary frequency regulation capability of doubly-fed wind turbines can be quickly analyzed. A probability analysis description of the primary frequency regulation capability of doubly-fed wind turbines is proposed

and the probability distribution characteristics of the primary frequency regulation capability of doubly-fed wind turbines with wind speed fluctuations are obtained using point estimation and Gram-Charlier series expansion. The simulation verifies the accuracy of the proposed dynamic analytical model and the feasibility and effectiveness of the probability estimation method for the primary frequency regulation capability.

关键词

Keywords

references

李卫东，晋萃萃，温可瑞，等 . 大功率缺失下主动频率响应控制初探［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 8 ）： 22 - 30 .

LI Weidong ， JIN Cuicui ， WEN Kerui ， et al . Active frequency response control under high-power loss ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 8 ）： 22 - 30 .

刘巨，姚伟，文劲宇，等 . 大规模风电参与系统频率调整的技术展望［J］. 电网技术， 2014 ， 38 （ 3 ）： 638 - 646 .

LIU Ju ， YAO Wei ， WEN Jinyu ， et al . Prospect of technology for large-scale wind farm participating into power grid frequency regulation ［J］. Power System Technology ， 2014 ， 38 （ 3 ）： 638 - 646 .

张剑云，李明节 . 新能源高渗透的电力系统频率特性分析［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 11 ）： 3498 - 3507 .

ZHANG Jianyun ， LI Mingjie . Analysis of the frequency characteristic of the power systems highly penetrated by new energy generation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 11 ）： 3498 - 3507 .

唐西胜，苗福丰，齐智平，等 . 风力发电的调频技术研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 25 ）： 4304 - 4314 .

TANG Xisheng ， MIAO Fufeng ， QI Zhiping ， et al . Survey on frequency control of wind power ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 25 ）： 4304 - 4314 .

付媛，王毅，张祥宇，等 . 变速风电机组的惯性与一次调频特性分析及综合控制［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 27 ）： 4706 - 4716 .

FU Yuan ， WANG Yi ， ZHANG Xiangyu ， et al . Analysis and integrated control of inertia and primary frequency regulation for variable speed wind turbines ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 27 ）： 4706 - 4716 .

李颖颖，王德林，范林源，等 . 双馈风电机组限功率运行下频率稳定的变系数控制策略［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 8 ）： 2910 - 2917 .

LI Yingying ， WANG Delin ， FAN Linyuan ， et al . Variable coefficient control strategy for frequency stability of DFIG under power-limited operation ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 8 ）： 2910 - 2917 .

VIDYANANDAN K V ， SENROY N . Primary frequency regulation by deloaded wind turbines using variable droop ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2013 ， 28 （ 2 ）： 837 - 846 .

HURTADO S ， GOSTALES G ， DE LARA A ， et al . A new power stabilization control system based on making use of mechanical inertia of a variable-speed wind-turbine for stand-alone wind-diesel applications ［C］// IEEE the 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society ， November 5-8 ， 2002 ， Sevilla， Spain ： 3326 - 3331 .

SUN M ， MIN Y ， CHEN L ， et al . Optimal auxiliary frequency control of wind turbine generators and coordination with synchronous generators ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2021 ， 7 （ 1 ）： 78 - 85 .

孙铭，徐飞，陈磊，等 . 利用转子动能的风机辅助频率控制最优策略［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 2 ）： 506 - 514 .

SUN Ming ， XU Fei ， CHEN Lei ， et al . Optimal auxiliary frequency control strategy of wind turbine generator utilizing rotor kinetic energy ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 506 - 514 .

单煜，汪震，周昌平，等 . 基于分段频率变化率的风电机组一次调频控制策略［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 11 ）： 19 - 26 .

SHAN Yu ， WANG Zhen ， ZHOU Changping ， et al . Control strategy of primary frequency regulation for wind turbine based on segmented rate of change of frequency ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 11 ）： 19 - 26 .

胡阳，姚欣然，房方，等 . 数据驱动的风电场全工况非线性调频动态建模［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 15 ）： 162 - 169 .

HU Yang ， YAO Xinran ， FANG Fang ， et al . Data-driven dynamic modeling of nonlinear frequency regulation for wind farm under all operation conditions ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 15 ）： 162 - 169 .

申家锴，李卫东，李正文，等 . 计及一次调频死区与限幅的高比例风电电力系统机组组合［J］. 电网技术， 2022 ， 46 （ 4 ）： 1326 - 1337 .

SHEN Jiakai ， LI Weidong ， LI Zhengwen ， et al . Unit commitment of power system with high proportion of wind power considering the deadband and limiter of primary frequency response ［J］. Power System Technology ， 2022 ， 46 （ 4 ）： 1326 - 1337 .

薛禹胜，雷兴，薛峰，等 . 关于风电不确定性对电力系统影响的评述［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 29 ）： 5029 - 5040 .

XUE Yusheng ， LEI Xing ， XUE Feng ， et al . A review on impacts of wind power uncertainties on power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 29 ）： 5029 - 5040 .

LIU L ， LI W ， SHEN J ， et al . Probabilistic assessment of β for thermal unit using point estimate method adopted to a low-order primary frequency response model ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 3 ）： 1931 - 1941 ．

何廷一，孙领，王晨光，等 . 避免频率二次跌落的风电场一次调频功率分配方法［J］. 电力系统保护与控制， 2022 ， 50 （ 11 ）： 12 - 20 .

HE Tingyi ， SUN Ling ， WANG Chenguang ， et al . A method of primary frequency regulation power distribution in a wind farm to avoid secondary frequency drop ［J］. Power System Protection and Control ， 2022 ， 50 （ 11 ）： 12 - 20 .

王鑫，杨德健 . 基于变系数PI控制的双馈风电机组自适应转速恢复策略［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 15 ）： 4120 - 4129 .

WANG Xin ， YANG Dejian . Adaptive speed recovery strategy of doubly-fed induction generator based on variable PI control coefficient ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 15 ）： 4120 - 4129 .

刘彬彬，杨健维，廖凯，等 . 基于转子动能控制的双馈风电机组频率控制改进方案［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 16 ）： 17 - 22 .

LIU Binbin ， YANG Jianwei ， LIAO Kai ， et al . Improved frequency control strategy for DFIG-based wind turbines based on rotor kinetic energy control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 16 ）： 17 - 22 .

KANG M ， KIM K ， MULJADI E ， et al . Frequency control support of a doubly-fed induction generator based on the torque limit ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2016 ， 31 （ 6 ）： 4575 - 4583 .

劳焕景，张黎，宋鹏程，等 . 一种考虑最优状态动态恢复的风电持续调频策略［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 12 ）： 4504 - 4512 .

LAO Huanjing ， ZHANG Li ， SONG Pengcheng ， et al . Wind power sustained frequency regulation strategy with dynamic optimized state recovery behavior ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 12 ）： 4504 - 4512 .

颜湘武，孙雪薇，崔森，等 . 基于转子动能与超级电容器储能的双馈风电机组惯量和一次调频改进控制策略［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （增刊1 ）： 179 - 190 .

YAN Xiangwu ， SUN Xuewei ， CUI Sen ， et al . Improved control strategy for inertia and primary frequency regulation of doubly fed induction generator based on rotor kinetic energy and supercapacitor energy storage ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ Supplement 1 ）： 179 - 190 .

LI Yujun . Advanced control strategies for renewable energy integration for system support ［D］. Hong Kong， China ： The Hong Kong Polytechnic University ， 2017 .

SLOOTWEG J G ， DE HAAN S W H ， POLINDER H ， et al . General model for representing variable speed wind turbines in power system dynamics simulations ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2003 ， 18 （ 1 ）： 144 - 151 .

李世春，黄悦华，王凌云，等 . 基于转速控制的双馈风电机组一次调频辅助控制系统建模［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 24 ）： 7077 - 7086 .

LI Shichun ， HUANG Yuehua ， WANG Lingyun ， et al . Modeling primary frequency regulation auxiliary control system of doubly fed induction generator based on rotor speed control ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 24 ）： 7077 - 7086 .

刘柳，李卫东，唱友义，等 . 大功率缺失下频率最低点估计的低阶仿真模型［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 17 ）： 78 - 83 .

LIU Liu ， LI Weidong ， CHANG Youyi ， et al . Low-order simulation model for frequency nadir estimation with high power deficit ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 17 ）： 78 - 83 .

NERC . Frequency response initiative report ［R］. Atlanta， USA ： NERC ， 2014 .

HONG H P . An efficient point estimate method for probabilistic analysis ［J］. Reliability Engineering & System Safety ， 1998 ， 59 （ 3 ）： 261 - 267 .

艾小猛，文劲宇，吴桐，等 . 基于点估计和Gram-Charlier展开的含风电电力系统概率潮流实用算法［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 16 ）： 16 - 23 .

AI Xiaomeng ， WEN Jinyu ， WU Tong ， et al . A practical algorithm based on point estimate method and Gram-Charlier expansion for probabilistic load flow calculation of power systems incorporating wind power ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 16 ）： 16 - 23 .

ZHANG P ， LEE S T . Probabilistic load flow computation using the method of combined cumulants and Gram-Charlier expansion ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2004 ， 19 （ 1 ）： 676 - 682 .

SCHELLENBERG A ， ROSEHART W ， AGUADO J . Cumulant-based probabilistic optimal power flow with Gaussian and Gamma distribution ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2005 ， 20 （ 2 ）： 773 - 781 .

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