基于轨迹优化及牵制一致性算法的海上风电场频率控制方法

周海强; 曹博源; 杨心刚; 王宇彤; 杜洋; 毕江伟

doi:10.7500/AEPS20250109004

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基于轨迹优化及牵制一致性算法的海上风电场频率控制方法

海上风电系统关键技术 | 更新时间：2026-02-28

- 基于轨迹优化及牵制一致性算法的海上风电场频率控制方法
- Frequency Control Method for Offshore Wind Farm Based on Trajectory Optimization and Pinning Consensus Algorithm
- 电力系统自动化 2026年50卷第4期页码：36-45
- 作者机构：
  
  1.河海大学电气与动力工程学院，江苏省南京市 211100
  2.国网上海市电力公司，上海市 200437
- 作者简介：
  
  周海强(1971—)，男，通信作者，博士，教授，主要研究方向：电力系统稳定与控制。E-mail：js.hq@163.com
  曹博源(1997—)，男，硕士，工程师，主要研究方向：新能源并网技术。E-mail：Einstein94@163.com
  杨心刚(1984—)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：新能源并网技术。E-mail：xingangyang@sjtu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家电网有限公司科技项目(B3094024000P)
- DOI：10.7500/AEPS20250109004
  中图分类号：
- 收稿：2025-01-09，
  
  修回：2025-05-10，
  
  网络首发：2025-06-27，
  
  纸质出版：2026-02-25
- 稿件说明：
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周海强,曹博源,杨心刚等.基于轨迹优化及牵制一致性算法的海上风电场频率控制方法[J].电力系统自动化,2026,50(4):36-45.

ZHOU Haiqiang,CAO Boyuan,YANG Xingang,et al.Frequency Control Method for Offshore Wind Farm Based on Trajectory Optimization and Pinning Consensus Algorithm[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(4):36-45.
周海强,曹博源,杨心刚等.基于轨迹优化及牵制一致性算法的海上风电场频率控制方法[J].电力系统自动化,2026,50(4):36-45. DOI： 10.7500/AEPS20250109004.

ZHOU Haiqiang,CAO Boyuan,YANG Xingang,et al.Frequency Control Method for Offshore Wind Farm Based on Trajectory Optimization and Pinning Consensus Algorithm[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(4):36-45. DOI： 10.7500/AEPS20250109004.

摘要

海上风电场场内风速差异较大，信号量测和传输困难且成本高，给风电场频率控制带来了挑战。为此，文中提出了一种基于轨迹优化及牵制一致性算法的海上风电场频率控制方法。首先，讨论了牵制一致性算法的原理，提出了由虚拟领导节点生成牵制信号并通过优化牵制信号实现风电场功率最优控制的方案。根据风电机组可调转子动能及扰动后频率变化规律，设计了牵制信号函数的一般形式。接着，构建了计及牵制一致性控制的风电场单机等值模型，指出由于场内风电机组动态行为具有一致性，风电场单机等值模型具有较好精度，可满足系统频率计算精度要求。最后，以控制代价为目标，考虑频率安全约束，对风电、储能及需求响应等控制措施进行协同优化，确定协同优化频率控制方案及风电场最优牵制信号。为验证所提方法有效性，将其应用于修改后的IEEE 3机9节点系统的频率控制决策，仿真结果表明，通过调节牵制信号可实现风电功率的优化，在确保频率安全的前提下降低控制代价。该方法信号量测及通信需求较小，并具有较快的计算速度。

Abstract

There is a significant difference in wind speed within offshore wind farms

making signal measurement and transmission difficult and costly

which poses challenges to frequency control of wind farms. Therefore

a frequency control method for the offshore wind farm based on trajectory optimization and pinning consensus algorithm is proposed. Firstly

the principles of pinning consensus (PC) algorithm are discussed. A scheme is proposed to generate pinning signals from virtual leadership nodes and achieve optimal control of wind farm power by optimizing the pinning signals. A general form of the pinning signal function is designed based on the adjustable rotor kinetic energy of the wind turbine and the frequency variation law after disturbance. Subsequently

by taking into account the PC control

a single-machine equivalent model of the wind farm is constructed. It is pointed out that due to the consensus of the dynamic behavior of wind turbines in the field

the single-machine equivalent model of the wind farm has good accuracy and can meet the accuracy requirements of system frequency calculation. Finally

with the goal of control costs and considering frequency safety constraints

the coordinated optimization of control measures such as wind power

energy storage

and demand response is carried out to determine the coordinated optimization frequency control scheme and the optimal pinning signal for the wind farm. To verify the effectiveness of the proposed method

it is applied to the frequency control decision of a modified IEEE 3-machine 9-bus system. Simulation results show that optimizing wind power can be achieved by adjusting the pinning signal

reducing control costs while ensuring frequency safety. This method requires less signal measurement and communication

and has a fast calculation speed.

关键词

Keywords

references

国家能源局 . 2024年第四季度新闻发布会文字实录［EB/OL］.［ 2025-01-09 ］. https：//www.nea.gov.cn/2024-10/31/c_1310787069.htm https://www.nea.gov.cn/2024-10/31/c_1310787069.htm .

National Energy Administration . Transcript of the fourth quarter of 2024 press conference ［EB/OL］. ［ 2025-01-09 ］. https：//www.nea.gov.cn/2024-10/31/c_1310787069.htm https://www.nea.gov.cn/2024-10/31/c_1310787069.htm .

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 .

方勇杰 . 英国“8·9”停电事故对频率稳定控制技术的启示［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 24 ）： 1 - 5 .

FANG Yongjie . Reflections on frequency stability control technology based on the blackout event of 9 August 2019 in UK ［J ］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 24 ）： 1 - 5 .

国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会 . 电力系统安全稳定导则： GB 38755—2019 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2019 .

State Administration for Market Regulation ， Standardization Administration of the People’s Republic of China . Code on security and stability for power system ： GB 38755—2019 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2019 .

WU Z P ， GAO W Z ， GAO T Q ， et al . State-of-the-art review on frequency response of wind power plants in power systems ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2018 ， 6 （ 1 ）： 1 - 16 .

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 .

朱昭丞，陈渊睿，曾君，等 . 考虑频率二次跌落和风速差异的风储联合持续调频控制策略［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 14 ）： 76 - 86 .

ZHU Zhaocheng ， CHEN Yuanrui ， ZENG Jun ， et al . Wind turbine-energy storage coordinated sustained frequency regulation control strategy considering secondary frequency drop and wind speed variation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 14 ）： 76 - 86 .

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 .

俞靖一，葛俊，杨铎烔，等 . 基于转子动能的风电场自适应频率主动支撑控制策略［J］. 电力工程技术， 2024 ， 43 （ 5 ）： 131 - 139 .

YU Jingyi ， GE Jun ， YANG Duotong ， et al . Adaptive frequency support control strategy for wind farms based on rotor kinetic energy ［J］. Electric Power Engineering Technology ， 2024 ， 43 （ 5 ）： 131 - 139 .

丁磊，尹善耀，王同晓，等 . 结合超速备用和模拟惯性的双馈风机频率控制策略［J］. 电网技术， 2015 ， 39 （ 9 ）： 2385 - 2391 .

DING Lei ， YIN Shanyao ， WANG Tongxiao ， et al . Integrated frequency control strategy of DFIGs based on virtual inertia and over-speed control ［J］. Power System Technology ， 2015 ， 39 （ 9 ）： 2385 - 2391 .

CHU Z D ， MARKOVIC U ， HUG G ， et al . Towards optimal system scheduling with synthetic inertia provision from wind turbines ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 5 ）： 4056 - 4066 .

聂永辉，刘家僮，孙斌，等 . 基于转子动能释放的风电并网系统非线性频率控制策略研究［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 23 ）： 9127 - 9135 .

NIE Yonghui ， LIU Jiatong ， SUN Bin ， et al . Research on nonlinear frequency control strategy of wind power grid-connected system based on rotor kinetic energy release ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 23 ）： 9127 - 9135 .

KRPAN M ， KUZLE I . Introducing low-order system frequency response modelling of a future power system with high penetration of wind power plants with frequency support capabilities ［J ］. IET Renewable Power Generation ， 2018 ， 12 （ 13 ）： 1453 - 1461 .

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 .

马秀达，卢宇，詹长江，等 . 海上风电多端柔性直流输电系统及直流故障处理方案［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 17 ）： 81 - 89 .

MA Xiuda ， LU Yu ， ZHAN Changjiang ， et al . Multi-terminal flexible DC transmission system for offshore wind power and its DC fault clearance scheme ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 17 ）： 81 - 89 .

韩华春，宁联辉，李辰辰，等 . 海上风电M3C换流器虚拟同步发电机控制［J］. 电力工程技术， 2024 ， 43 （ 6 ）： 78 - 87 .

HAN Huachun ， NING Lianhui ， LI Chenchen ， et al . Virtual synchronous generator control strategy of M3C converter in fractional frequency offshore wind power system ［J］. Electric Power Engineering Technology ， 2024 ， 43 （ 6 ）： 78 - 87 .

姚伟，熊永新，姚雅涵，等 . 海上风电柔直并网系统调频控制综述［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 10 ）： 3397 - 3413 .

YAO Wei ， XIONG Yongxin ， YAO Yahan ， et al . Review of voltage source converter-based high voltage direct current integrated offshore wind farm on providing frequency support control ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 10 ）： 3397 - 3413 .

钟术威，车延博，苏鉴博，等 . 风电经柔直送出系统送端交流故障低电压穿越策略［J］. 电力系统自动化， 2025 ， 49 （ 8 ）： 87 - 96 .

ZHONG Shuwei ， CHE Yanbo ， SU Jianbo ， et al . Low voltage ride-through strategy for sending-end AC faults in flexible DC system for wind power transmission ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2025 ， 49 （ 8 ）： 87 - 96 .

熊永新 . 远海风电经多端柔直并网系统主动频率支撑控制［D］. 武汉：华中科技大学， 2022 .

XIONG Yongxin . Active frequency support control of far sea wind power through multi-terminal flexible direct grid-connected system ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2022 .

常海军，陈春萌，刘福锁，等 . 综合多类型措施的频率紧急协调优化控制研究［J］. 电力工程技术， 2020 ， 39 （ 3 ）： 36 - 42 .

CHANG Haijun ， CHEN Chunmeng ， LIU Fusuo ， et al . Coordinated optimization method for frequency safety emergency control strategy with multi-type control measures ［J］. Electric Power Engineering Technology ， 2020 ， 39 （ 3 ）： 36 - 42 .

周海强，鲁锦文，薛峰，等 . 计及风电综合惯性控制的电力系统扩展频率响应模型［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 8 ）： 198 - 205 .

ZHOU Haiqiang ， LU Jingwen ， XUE Feng ， et al . Extended frequency response model for power system considering wind power synthetic inertia control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 8 ）： 198 - 205 .

杨珺，侯俊浩，刘亚威，等 . 分布式协同控制方法及在电力系统中的应用综述［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 19 ）： 4035 - 4049 .

YANG Jun ， HOU Junhao ， LIU Yawei ， et al . Distributed cooperative control method and application in power system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 19 ）： 4035 - 4049 .

顾伟，楼冠男，柳伟 . 微电网分布式控制理论与方法［M］. 北京：科学出版社， 2019 .

GU Wei ， LOU Guannan ， LIU Wei . Distributed control theory and method of microgrid ［M］. Beijing ： Science Press ， 2019 .

鞠平，秦川，罗建裕，等 . 现代电力系统频率安全分析与控制［M］. 北京：科学出版社， 2022 .

JU Ping ， QIN Chuan ， LUO Jianyu ， et al . Frequency security analysis and control of modern power systems ［M］. Beijing ： Science Press ， 2022 .

倪以信 . 动态电力系统的理论和分析［M］. 北京：清华大学出版社， 2002 .

NI Yixin . Theory and analysis of dynamic power system ［M］. Beijing ： Tsinghua University Press ， 2002 .

孙大雁，周海强，熊浩清，等 . 基于灵敏度分析的直流受端系统紧急切负荷控制优化方法［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 24 ）： 7267 - 7275 .

SUN Dayan ， ZHOU Haiqiang ， XIONG Haoqing ， et al . A sensitivities analysis based emergency load shedding optimization method for the HVDC receiving end system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 24 ）： 7267 - 7275 .

王锡凡 . 现代电力系统分析［M］. 北京：科学出版社， 2003 .

WANG Xifan . Analysis of modern power system ［M］. Beijing ： Science Press ， 2003 .

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