独立微电网电动机负载参与快速频率响应的调频方法

方琰; 黎静华; 兰飞; 谢玲玲; 赖业宁

doi:10.7500/AEPS20240817002

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独立微电网电动机负载参与快速频率响应的调频方法

学术研究 | 更新时间：2025-09-25

- 独立微电网电动机负载参与快速频率响应的调频方法
- Frequency Regulation Method for Motor Load Participating in Fast Frequency Response in Independent Microgrids
- 电力系统自动化 2025年49卷第17期页码：122-132
- 作者机构：
  
  1.广西电力系统最优化与节能技术重点实验室（广西大学），广西壮族自治区南宁市 530004
  2.国网电力科学研究院有限公司（南瑞集团有限公司），江苏省南京市 211106
- 作者简介：
  
  方琰(1999—)，男，硕士研究生，主要研究方向：新能源电力系统优化运行与控制。E-mail：fangyan3501@qq.com
  黎静华(1982—)，女，通信作者，教授，博士生导师，主要研究方向：新能源电力系统运行与控制等。E-mail：lijinghua@gxu.edu.cn
  兰飞(1974—)，男，正高级工程师，硕士生导师，主要研究方向：新能源电力系统运行与控制。E-mail：lanfeigxu@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52367004);当二次规划问题有解，满足约束条件时：
- DOI：10.7500/AEPS20240817002
  中图分类号：
- 收稿日期：2024-08-17，
  
  修回日期：2024-12-23，
  
  网络出版日期：2025-07-16，
  
  纸质出版日期：2025-09-10
- 稿件说明：
移动端阅览
方琰,黎静华,兰飞等.独立微电网电动机负载参与快速频率响应的调频方法[J].电力系统自动化,2025,49(17):122-132.

FANG Yan,LI Jinghua,LAN Fei,et al.Frequency Regulation Method for Motor Load Participating in Fast Frequency Response in Independent Microgrids[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(17):122-132.
方琰,黎静华,兰飞等.独立微电网电动机负载参与快速频率响应的调频方法[J].电力系统自动化,2025,49(17):122-132. DOI： 10.7500/AEPS20240817002.

FANG Yan,LI Jinghua,LAN Fei,et al.Frequency Regulation Method for Motor Load Participating in Fast Frequency Response in Independent Microgrids[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(17):122-132. DOI： 10.7500/AEPS20240817002.

摘要

电动机参与快速频率响应(FFR)是提高独立微电网频率稳定性的重要措施之一。然而，现有电机调频方法在面对频率扰动时，其功率输出往往在初期达到理论最大值后逐渐下降，限制了对系统频率恢复的支持能力。此外，电机转速恢复与系统频率之间的协调至关重要。若电机转速恢复过快，可能会加剧功率波动，增加一次调频的负担，甚至引发频率二次跌落。相反，若电机转速恢复过慢，则会影响电机在FFR中的作用效果。因此，在设计控制策略时，必须充分考虑系统频率与电机转速之间的协调，以确保FFR的高效执行。为此，提出基于模型预测控制(MPC)的电动机FFR控制方法。分析了FFR控制的要求，据此采用一种可以使电机快速准确跟踪FFR功率指令的方法，提出系统频率与电机转速恢复相协调的控制策略，设计了能够快速求解最优控制指令的MPC控制器，实现电机整个FFR过程的优化控制。最后，基于独立微电网实时仿真模型开展仿真实验，结果表明所提方法可改善电机FFR作用效果，提高微电网频率稳定性。

Abstract

Motor participating in fast frequency response (FFR) is a critical measure to enhance frequency stability in independent microgrids. However

conventional motor frequency regulation methods often exhibit a gradual decline in power output after initially reaching the theoretical maximum during frequency disturbances

limiting the supporting capability for system frequency recovery. Additionally

the coordination between motor speed recovery and system frequency is paramount. If the motor speed recovery is too rapid

it may exacerbate power fluctuations

increase the burden on primary frequency regulation

and even trigger secondary frequency drops. Conversely

overly slow speed recovery compromises the effects of motor involvement in FFR. Therefore

the coordination between system frequency and motor speed must be considered when designing the control strategy to ensure the efficient FFR execution. To address this

a model predictive control (MPC)-based FFR control method for motors is proposed. The requirements for FFR control are analyzed

and a method enabling motors to track FFR power commands rapidly and accurately is adopted. A coordination control strategy between system frequency and motor speed recovery is developed

and an MPC controller which can solve optimal control commands is designed to achieve the optimal control throughout the whole FFR process for the motor. Finally

simulation experiments based on a real-time independent microgrid model demonstrate that the proposed method improves motor FFR performance and enhances microgrid frequency stability.

关键词

Keywords

references

杨新法，苏剑，吕志鹏，等 . 微电网技术综述［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 1 ）： 57 - 70 .

YANG Xinfa ， SU Jian ， LÜ Zhipeng ， et al . Overview on micro-grid technology ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 1 ）： 57 - 70 .

ROCABERT J ， LUNA A ， BLAABJERG F ， et al . Control of power converters in AC microgrids ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2012 ， 27 （ 11 ）： 4734 - 4749 .

FARROKHABADI M ， CANIZARES C A ， SIMPSON-PORCO J W ， et al . Microgrid stability definitions， analysis， and examples ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 35 （ 1 ）： 13 - 29 .

URIARTE F M ， SMITH C ， VANBROEKHOVEN S ， et al . Microgrid ramp rates and the inertial stability margin ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2015 ， 30 （ 6 ）： 3209 - 3216 .

PULENDRAN S ， TATE J E . Energy storage system control for prevention of transient under-frequency load shedding ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2017 ， 8 （ 2 ）： 927 - 936 .

MENG L X ， ZAFAR J ， KHADEM S K ， et al . Fast frequency response from energy storage systems—a review of grid standards， projects and technical issues ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2020 ， 11 （ 2 ）： 1566 - 1581 .

陈亦平，卓映君，刘映尚，等 . 高比例可再生能源电力系统的快速频率响应市场发展与建议［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 10 ）： 174 - 183 .

CHEN Yiping ， ZHUO Yingjun ， LIU Yingshang ， et al . Development and recommendation of fast frequency response market for power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 10 ）： 174 - 183 .

MENDIETA W ， CANIZARES C A . Primary frequency control in isolated microgrids using thermostatically controllable loads ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2021 ， 12 （ 1 ）： 93 - 105 .

VORWERK J ， MARKOVIC U ， HUG G . Fast demand response with variable speed thermal loads： towards universal modeling for stability assessment ［C］// 2021 North American Power Symposium （NAPS）， November 14-16 ， 2021 ， College Station， USA ： 1 - 6 .

CARMONA-SANCHEZ J ， BARNES M ， APSLEY J M . Virtual energy storage： converting an AC drive to a smart load ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2018 ， 33 （ 3 ）： 1342 - 1353 .

LU J A ， HU J Q ， YU J ， et al . A dynamic demand response control strategy for isolated microgrid with primary frequency regulation ［J］. Electric Power Systems Research ， 2023 ， 224 ： 109691 .

RYAN D J ， TORRESAN H D ， RAZZAGHI R ， et al . Frequency response of motor drive loads in microgrids ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 1197 - 1206 .

CHAKRAVORTY D ， CHAUDHURI B ， HUI S Y R . Rapid frequency response from smart loads in great britain power system ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2017 ， 8 （ 5 ）： 2160 - 2169 .

TERAZONO D ， LIU J ， MIURA Y ， et al . Grid frequency regulation support from back-to-back motor drive system with virtual-synchronous-generator-based coordinated control ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 3 ）： 2901 - 2913 .

聂世豪，黄润，陈磊，等 . 考虑能量恢复的电解铝负荷一次调频自适应控制［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 17 ）： 37 - 45 .

NIE Shihao ， HUANG Run ， CHEN Lei ， et al . Adaptive control of primary frequency regulation for electrolytic aluminum load considering energy recovery ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 17 ）： 37 - 45 .

MENG X ， LIU J J ， LIU Z . A generalized droop control for grid-supporting inverter based on comparison between traditional droop control and virtual synchronous generator control ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 6 ）： 5416 - 5438 .

贾天下，陈磊，闵勇，等 . 快速响应储能参与一次调频的控制策略［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2021 ， 61 （ 5 ）： 429 - 436 .

JIA Tianxia ， CHEN Lei ， MIN Yong ， et al . Control strategy for primary frequency regulation with the participation of a quick response energy storage ［J］. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 2021 ， 61 （ 5 ）： 429 - 436 .

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 .

MALEKPOUR M ， AZIZIPANAH-ABARGHOOEE R ， TENG F ， et al . Fast frequency response from smart induction motor variable speed drives ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 2 ）： 997 - 1008 .

钱彧声，黄文焘，余墨多，等 . 独立微电网变频负载电容电压与电机转速自适应协同调频方法［J］. 中国电机工程学报， 2025 ， 45 （ 2 ）： 601 - 612 .

QIAN Yusheng ， HUANG Wentao ， YU Moduo ， et al . Self-adaptive cooperative frequency modulation method for variable frequency load capacitor voltage and motor speed of independent microgrid ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2025 ， 45 （ 2 ）： 601 - 612 .

黎静华，敖国进，宋诚鑫，等 . 超级电容参与风电调频的动态响应优化策略［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 17 ）： 46 - 55 .

LI Jinghua ， AO Guojin ， SONG Chengxin ， et al . Optimal dynamic response strategy for supercapacitor participating in wind power frequency regulation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 17 ）： 46 - 55 .

GU H ， YAN R ， SAHA T . Review of system strength and inertia requirements for the national electricity market of australia ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2019 ， 5 （ 3 ）： 295 - 305 .

张恒旭，刘玉田，薛禹胜 . 考虑累积效应的频率偏移安全性量化评估［J］. 电力系统自动化， 2010 ， 34 （ 24 ）： 5 - 10 .

ZHANG Hengxu ， LIU Yutian ， XUE Yusheng . Quantitative assessment of transient frequency deviation security considering cumulative effect ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2010 ， 34 （ 24 ）： 5 - 10 .

李国庆，刘先超，辛业春，等 . 含高比例新能源的电力系统频率稳定研究综述［J］. 高电压技术， 2024 ， 50 （ 3 ）： 1165 - 1181 .

LI Guoqing ， LIU Xianchao ， XIN Yechun ， et al . Research on frequency stability of power system with high penetration renewable energy： a review ［J］. High Voltage Engineering ， 2024 ， 50 （ 3 ）： 1165 - 1181 .

姜卫东，汪磊，赵德勇，等 . 外环采用电容储能反馈内环采用改进无差拍控制的PWM整流器的控制方法［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 14 ）： 3899 - 3909 .

JIANG Weidong ， WANG Lei ， ZHAO Deyong ， et al . A control method based on outer loop adopting the feedback of capacitor energy storage and internal loop adopting improved deadbeat control for PWM rectifier ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 14 ）： 3899 - 3909 .

BOUAFIA A ， GAUBERT J P ， KRIM F . Predictive direct power control of three-phase pulse width modulation（PWM） rectifier using space-vector modulation ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2010 ， 25 （ 1 ）： 228 - 236 .

陈虹 . 模型预测控制［M］. 北京：科学出版社， 2013 .

CHEN Hong . Model predictive control ［M］. Beijing ： Science Press ， 2013 .

WEI F ， CHEN X B ， CAO S Y ， et al . MPC based dynamic voltage regulation using grid-side BESPS with the consideration of communication delay ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2023 ， 38 （ 2 ）： 838 - 848 .

ANDERSON P M ， MIRHEYDAR M . A low-order system frequency response model ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 1990 ， 5 （ 3 ）： 720 - 729 .

LONG B ， ZENG W ， RODRIGUEZ J ， et al . Voltage regulation enhancement of DC-MG based on power accumulator battery test system： MPC-controlled virtual inertia approach ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 1 ）： 71 - 81 .

BEVRANI H ， HABIBI F ， BABAHAJYANI P ， et al . Intelligent frequency control in an AC microgrid： online PSO-based fuzzy tuning approach ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2012 ， 3 （ 4 ）： 1935 - 1944 .

ZHOU A B ， YAN R F ， SAHA T K . Capacity and control strategy design of isolated micro-grid with high renewable penetration ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2019 ， 11 （ 3 ）： 1173 - 1184 .

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