计及工作点偏移的减载风电系统频率响应模型

张龙; 孙丹; 张旭; 年珩

doi:10.7500/AEPS20230826003

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计及工作点偏移的减载风电系统频率响应模型

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 计及工作点偏移的减载风电系统频率响应模型
- System Frequency Response Model of Deloaded Wind Power System Considering Working Point Shifting
- 电力系统自动化 2024年48卷第16期页码：79-87
- 作者机构：
  
  浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027
- 作者简介：
  
  张龙(2000—)，男，硕士研究生，主要研究方向：新能源并网运行与控制。
  孙丹(1975—)，女，通信作者，教授，博士生导师，主要研究方向：交流电机高性能控制、新能源并网运行控制技术。E-mail：sundan@zju.edu.cn
  张旭(1999—)，女，硕士研究生，主要研究方向：风电惯量评估与控制技术。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金杰出青年基金资助项目(52325702)
- DOI：10.7500/AEPS20230826003
  中图分类号：
- 收稿：2023-08-26，
  
  修回：2024-01-04，
  
  网络出版：2024-03-21，
  
  纸质出版：2024-08-25
- 稿件说明：
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张龙,孙丹,张旭等.计及工作点偏移的减载风电系统频率响应模型[J].电力系统自动化,2024,48(16):79-87.

ZHANG Long,SUN Dan,ZHANG Xu,et al.System Frequency Response Model of Deloaded Wind Power System Considering Working Point Shifting[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(16):79-87.
张龙,孙丹,张旭等.计及工作点偏移的减载风电系统频率响应模型[J].电力系统自动化,2024,48(16):79-87. DOI： 10.7500/AEPS20230826003.

ZHANG Long,SUN Dan,ZHANG Xu,et al.System Frequency Response Model of Deloaded Wind Power System Considering Working Point Shifting[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(16):79-87. DOI： 10.7500/AEPS20230826003.

摘要

随着风电并网容量不断升高，利用减载风电机组参与一次调频对保障系统频率稳定性具有重要意义。然而，风机的工作点会随其转速变化而发生偏移，使得风机的实际一次调频贡献小于期望值。为此，文中首先分析了频率故障后风电机组减载功率跟踪控制与综合惯量控制的交互影响，指出了风机工作点偏移导致其调频效果削弱的基本原理。其次，基于风机的转子运动方程推导了风电功频传递函数，建立了计及减载风电机组工作点偏移的系统频率响应模型，并利用最小二乘法对其进行降阶，推导了系统频率最低点的解析式。然后，针对虚拟惯量控制的频率恢复期间引起功率倒流、微分环节放大噪声等缺点，提出利用下垂控制替代综合惯量控制。同时，为使减载风电机组获得期望的调频效果，基于频率最低点和稳态频率指标对风机控制参数进行了修正，提出了两种等效下垂系数的计算方法。最后，在MATLAB/Simulink平台建立了四机两区域模型，验证了所提降阶方法及修正方法的有效性。

Abstract

With the increasing grid-connected capacity of wind power

using deloaded wind turbines (WTs) to participate in the primary frequency regulation is of great significance in safeguarding system frequency stability. However

the working point of the WT shifts with its rotational speed change

which results in the actual capacity of the primary frequency regulation of the WT smaller than the desired value. Therefore

the interaction between the power tracking control of deloaded WTs and the integrated inertia control after a frequency fault is firstly analyzed

and the basic principle that the working point shifting of the WTs leads to the weakening of the frequency regulation effect is pointed out. Secondly

the wind power-frequency transfer function is derived based on the rotor motion equation of the WTs

and the system frequency response (SFR) model is established considering the working point shifting of the deloaded WTs. The least square method is also used to reduce the order of the proposed SFR model

and an analytical formula of the system frequency nadir is deduced. Then

in view of the shortcomings of virtual inertia control

such as power backflow during the frequency recovery and noise amplification in differential links

it is proposed to replace the integrated inertia control with droop control. Meanwhile

in order to make the deloaded WTs obtain the desired frequency regulation effect

the control parameters of the WTs are modified based on the frequency nadir and the steady state frequency indices

and calculation methods for the two equivalent droop coefficients are proposed. Finally

a four-machine two-region model is established on the MATLAB/Simulink platform to verify the effectiveness of the proposed order reduction method and the correction method.

关键词

Keywords

references

国家能源局 . 我国风电并网装机突破3亿千瓦［EB/OL］．（ 2021-11-30 ）［ 2022-05-09 ］. http：//www.nea.gov.cn/2021-11/30/c_1310343188.htm http://www.nea.gov.cn/2021-11/30/c_1310343188.htm .

National Energy Administration . The grid-connected installed capacity of wind power in China exceeded 300 GW ［EB/OL］. （ 2021-11-30 ）［ 2022-05-09 ］. http：//www.nea.gov.cn/2021-11/30/c_1310343188.htm http://www.nea.gov.cn/2021-11/30/c_1310343188.htm .

卓振宇，张宁，谢小荣，等 . 高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

ZHUO Zhenyu ， ZHANG Ning ， XIE Xiaorong ， et al . Key technologies and developing challenges of power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

文云峰，杨伟峰，林晓煌 . 低惯量电力系统频率稳定分析与控制研究综述及展望［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 9 ）： 211 - 222 .

WEN Yunfeng ， YANG Weifeng ， LIN Xiaohuang . Review and prospect of frequency stability analysis and control of low-inertia power systems ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 9 ）： 211 - 222 .

张子扬，张宁，杜尔顺，等 . 双高电力系统频率安全问题评述及其应对措施［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 1 ）： 1 - 25 .

ZHANG Ziyang ， ZHANG Ning ， DU Ershun ， et al . Review and countermeasures on frequency security issues of power systems with high shares of renewables and power electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 1 ）： 1 - 25 .

国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 . 风电场接入电力系统技术规定： GB/T 19963—2011 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2012 .

General Administration of Quality Supervision ， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China ， Standardization Administration of the People’s Republic of China . Technical rule for connecting wind farm to power system ： GB/T 19963—2011 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2012 .

National Grid （Great Britain） . Grid code documents： connection conditions ［EB/OL］. ［ 2022-05-15 ］. http：//www.nationalgrid.com/uk/Electricity/Codes/gridcode/gridcodedocs/ http://www.nationalgrid.com/uk/Electricity/Codes/gridcode/gridcodedocs/ .

ZHAO C ， SUN D ， ZHANG X ， et al . A two-stage power distribution scheme of multiple wind farms participating in primary frequency regulation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2023 ， 38 （ 6 ）： 5009 - 5021 .

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 of inertia and primary frequency modulation of doubly-fed wind turbine based on rotor kinetic energy and super capacitor energy storage ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ Supplement 1 ）： 179 - 190 .

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 .

高澈，田新首，李琰，等 . 基于运行状态评估的双馈风机自适应虚拟同步发电机控制［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 2 ）： 517 - 523 .

GAO Che ， TIAN Xinshou ， LI Yan ， et al . Adaptive virtual synchronous generator control of DFIG based on operation state evaluation ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 2 ）： 517 - 523 .

孙华东，王宝财，李文锋，等 . 高比例电力电子电力系统频率响应的惯量体系研究［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 16 ）： 5179 - 5192 .

SUN Huadong ， WANG Baocai ， LI Wenfeng ， et al . Research on inertia system of frequency response for power system with high penetration electronics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 16 ）： 5179 - 5192 .

曹军，王虹富，邱家驹 . 变速恒频双馈风电机组频率控制策略［J］. 电力系统自动化， 2009 ， 33 （ 13 ）： 78 - 82 .

CAO Jun ， WANG Hongfu ， QIU Jiaju . Frequency control strategy of variable-speed constant-frequency doubly-fed induction generator wind turbines ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2009 ， 33 （ 13 ）： 78 - 82 .

兰飞，潘益丰，时萌，等 . 双馈风电机组变系数虚拟惯量优化控制［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 12 ）： 51 - 59 .

LAN Fei ， PAN Yifeng ， SHI Meng ， et al . Optimal variable-coefficient virtual inertia control for DFIG-based wind turbines ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 12 ）： 51 - 59 .

张雯欣，吴琛，黄伟，等 . 考虑频率二次跌落的系统频率特征评估及风电调频参数整定［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 8 ）： 11 - 19 .

ZHANG Wenxin ， WU Chen ， HUANG Wei ， et al . Evaluation of system frequency characteristic and parameter setting of frequency regulation for wind power considering secondary frequency drop ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 8 ）： 11 - 19 .

乔颖，郭晓茜，鲁宗相，等 . 考虑系统频率二次跌落的风电机组辅助调频参数确定方法［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 3 ）： 807 - 815 .

QIAO Ying ， GUO Xiaoqian ， LU Zongxiang ， et al . Parameter setting of auxiliary frequency regulation of wind turbines considering secondary frequency drop ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 3 ）： 807 - 815 .

吴子双，于继来，彭喜云 . 高风速段次优功率追踪方式的风电调频方法［J］. 电工技术学报， 2013 ， 28 （ 5 ）： 112 - 119 .

WU Zishuang ， YU Jilai ， PENG Xiyun . DFIG’s frequency regulation method only for high wind speed with suboptimal power tracking ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2013 ， 28 （ 5 ）： 112 - 119 .

蔡国伟，钟超，吴刚，等 . 考虑风电机组超速减载与惯量控制的电力系统机组组合策略［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 16 ）： 134 - 142 .

CAI Guowei ， ZHONG Chao ， WU Gang ， et al . Unit commitment strategy of power system considering overspeed load reduction and inertia control of wind turbine ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 16 ）： 134 - 142 .

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 .

张三洪，党杰，戴剑丰，等 . 考虑最优转速与桨距角控制的风电场限功率优化控制策略［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 5 ）： 1844 - 1851 .

ZHANG Sanhong ， DANG Jie ， DAI Jianfeng ， et al . Optimal control strategy for wind power curtailment considering optimal speed and pitch angle control ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 5 ）： 1844 - 1851 .

胡家欣，胥国毅，毕天姝，等 . 减载风电机组变速变桨协调频率控制方法［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 10 ）： 3656 - 3663 .

HU Jiaxin ， XU Guoyi ， BI Tianshu ， et al . A strategy of frequency control for deloaded wind turbine generator based on coordination between rotor speed and pitch angle ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 10 ）： 3656 - 3663 .

张旭，陈云龙，岳帅，等 . 风电参与电力系统调频技术研究的回顾与展望［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 6 ）： 1793 - 1803 .

ZHANG Xu ， CHEN Yunlong ， YUE Shuai ， et al . Retrospect and prospect of research on frequency regulation technology of power system by wind power ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 6 ）： 1793 - 1803 .

李少林，王伟胜，张兴，等 . 风力发电对系统频率影响及虚拟惯量综合控制［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 15 ）： 64 - 70 .

LI Shaolin ， WANG Weisheng ， ZHANG Xing ， et al . Impact of wind power on power system frequency and combined virtual inertia control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 15 ）： 64 - 70 .

ZHANG Xu ， ZHAO Chen ， MA Junchao ， et al . Optimized auxiliary frequency control of wind farm based on piecewise reduced-order frequency response model ［J/OL］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ： 1 - 12 ［ 2023-09-19 ］. https：//ieeexplore.ieee.org/document/10255430 https://ieeexplore.ieee.org/document/10255430 .

HUTTON M ， FRIEDLAND B . Routh approximations for reducing order of linear， time-invariant systems ［J］. IEEE Transactions on Automatic Control ， 1975 ， 20 （ 3 ）： 329 - 337 .

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