基于分頻段原理的風電機組一次調頻控制

摘 要：【目的】為精確控制電網頻率，調整風電機組的有功功率輸出，滿足風電參與一次調頻的需求，提升電網穩定性、靈活性，提出基于分頻段原理的風電機組一次調頻控制方法。【方法】將電網頻率變化率（ROCOF）劃分為低、中、高三個區間，并結合對風電機組與火電機組在一次調頻過程中響應行為差異的分析，設計分頻段綜合慣量調控策略。同時，采用變下垂綜合慣性控制和改進短時功率增發控制等策略，以實現風電機組對電網頻率變化的快速精準響應，提升電網穩定性與靈活性。【結果】通過細分頻率變化區間，并結合多種控制策略，實現風電機組對電網頻率變化的快速響應和精準調節，且不同增益系數下，系統在低頻段有效抑制波動，中高頻段精準調節頻率與功率，展現出對應的調頻響應能力。【結論】該方法具有廣闊的應用前景和研究價值，但仍要進一步研究多風電機組協調控制、儲能設備與風電機組聯合控制策略，建立更精細的模型和仿真平臺，以推動技術的發展。

關鍵詞：風電機組；一次調頻；分頻段；頻率穩定性

中圖分類號：TM315" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）05-0019-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.003

Primary Frequency Modulation Control of Wind Turbine Based on the Principle of Frequency Division Band

WU Hui

（Hunan Lishui Hydroamp;Power Co.， Ltd.， Changsha 410014，China）

Abstract： [Purposes] In order to accurately control the frequency of the power grid， adjust the active power output of the wind turbine， meet the urgent needs of wind power to participate in the primary frequency modulation， and improve the stability and flexibility of the power grid， a primary frequency regulation control method of wind turbine based on frequency division principle is proposed.[Methods] The rate of change of frequency （ROCOF） is divided into three intervals： low， medium and high， and combined with the analysis of the difference in response behavior between wind turbine and thermal power units in the process of primary frequency modulation， the frequency segment integrated inertia control strategy is designed. At the same time， the integrated inertia control and the improved short-time power generation control are adopted to realize the rapid and accurate response of wind turbines to power grid frequency changes， thus improving the stability and adaptability of the power grid. [Findings] By dividing the frequency change interval and combining with a variety of control strategies， the rapid response and accurate adjustment of wind turbines to power grid frequency changes are realized. Under different gain coefficients， the system effectively suppresses the fluctuation in the low frequency band， and accurately adjusts the frequency and power in the middle and high frequency bands， showing the corresponding frequency modulation response ability. [Conclusions] This method has broad application prospects and research value， but it is still necessary to further study the coordinated control of multiple wind turbines， the joint control strategy of energy storage equipment and wind turbines， and establish a more refined model and simulation platform to promote the development of the method.

Keywords： wind turbine; primary frequency modulation; frequency division segment; frequency stability

0 引言

風電作為一種清潔的可再生能源，在全球范圍內得到廣泛的應用。一次調頻是控制電網頻率的重要手段，可通過自動調整機組的有功功率來維持電網頻率的穩定［1］。傳統的一次調頻機組主要由火電機組和水電機組組成，但隨著風電并網規模的擴大，風電參與一次調頻的需求日益迫切。本研究提出的基于分頻段原理的風電機組一次調頻控制策略，能夠分頻段處理風電信號，提取不同頻段下的風電功率波動特性，并據此調整風電機組的有功功率輸出，實現精確控制電網頻率。

從專業技術角度看，分頻段可以顯著提升風電機組在電網頻率波動時的響應速度和調節能力，使風電這一間歇性電源在并網后能夠更好地融入并支撐電網運行，提升電網的靈活性和韌性。從能源結構優化角度看，風電作為清潔能源的代表，其高效、穩定地并網運行是推動能源結構從化石能源向可再生能源轉變的關鍵。通過提升風電機組的一次調頻能力，能有效增加風電在電網中的滲透率，減少對傳統化石能源的依賴，促進能源消費的綠色轉型。從電網安全穩定角度看，風電機組參與一次調頻能顯著增強電網應對突發事件和故障的能力［2］。在電網頻率發生大幅波動時，風電機組能迅速響應并調節其輸出功率，幫助電網快速恢復至穩定狀態，保障電力供應的連續性，對維護社會經濟秩序、保障居民生活用電具有重要意義。

1 分頻段原理

1.1 分頻段定義

分頻段是基于電網頻率變化率（ROCOF）特性進行深入分析，并將ROCOF劃分為多個具有不同響應需求的區間，即分頻段。這一劃分不僅考慮了電網頻率變化的快慢，還兼顧了不同變化速率下電網對風電機組調頻響應的不同要求。具體而言，分頻段將ROCOF劃分為低、中、高三個主要區間，每個區間對應不同的控制邏輯和策略。在低ROCOF區間，電網頻率變化較為平緩，此時風電機組需要保持一定的調頻響應能力，但要避免過度干預電網運行；在中ROCOF區間，電網頻率變化適中，風電機組根據頻率偏差動態調整其輸出功率，以提供必要的調頻支持；在高ROCOF區間，電網頻率發生急劇變化，風電機組需要迅速響應，通過增發功率等手段，有效抑制頻率波動，確保電網的穩定運行［3］。

1.2 系統頻率擾動分析

同一擾動條件下，風力發電單元與火力發電單元共同參與電網一次調頻過程中的功率輸出動態，如圖1所示。由圖1可知，在頻率擾動的初期，風力發電單元展現出了迅速響應的能力，能即時提供顯著的功率支撐。然而，隨著頻率逐漸趨向恢復，其調節過程可能引入額外的調頻負擔［4］。而火力發電單元憑借其較大的慣性時間常數特性，能在更長的時段內保持相對穩定的輸出功率，對穩定維持系統頻率起到關鍵作用。基于此，風力發電單元在應對系統高頻部分的小幅、快速頻率波動時，表現出較高的適配性。風力發電單元在限定的范圍內能靈活調整系統頻率，可以在維持最大功率追蹤模式的同時，有效降低系統頻率的偏差及變化速率，從而增強電網的整體穩定性和響應能力。

1.3 分頻段一次調頻方法建立

本研究深入探討了風電機組與火電機組在一次調頻過程中的響應行為差異［5］，進而設計出一種針對風電機組的分頻段綜合慣量調控策略，該策略的具體實施框架如圖2所示。

由圖2可知，系統頻率信號先經由一個高通濾波器，剔除其中的高頻噪聲成分。之后，風電機組的綜合慣量控制則依據這一濾波后的信號進行調整，確保輸出更加精準。經過高通濾波的系統頻率信號，其特征表現為顯著的高頻振蕩并伴隨一定程度的幅值衰減。當風電機組依據圖2中的控制邏輯參與一次調頻任務時，待調節的功率擾動量為ΔP，相關計算見式（1）。

[TWH=-12π·KW_IneΔP]" " "（1）

式中：[TWH]為高通濾波器的時間常數，s；[KW_Ine]為風電機組慣量控制系數；[ΔP]為功率擾動量，p.u.。

假設穩態時風機組負責處理功率擾動量為[ΔP]，則可得式（2）。

[ΔP=-ΔfTH·KW_Dro]" " "（2）

式中：[ΔfTH]為頻率偏差閾值，Hz；[KW_Dro]為風電機組下垂控制系數。

將式（2）代入式（1）中，可以推導出在特定頻率偏差閾值[ΔfTH]條件下，應用于高通濾波器所需的時間常數[TWH]，具體見式（3）。

[TWH=12π·KW_IneΔfTH·KW_Dro]" "（3）

基于上述分析，明確了特定頻率閾值下，風電機組貢獻功率支持的時間長度直接決定了所確定值的設定，本研究設定的閾值變化量[ΔfTH]為0.1 Hz。由式（3）可知，風電機組初次調頻控制效能的關鍵調控要素為[TWH]、[KW_Ine]和[KW_Dro]的參數配置。在維持系統其他參數恒定的條件下，[TWH]的取值并非孤立決定，而是與[KW_Ine]和[KW_Dro]的設定緊密相關。基于此，后續將聚焦于控制系統的穩定性評估與頻率響應特征的考量，深入探討[KW_Ine]與[KW_Dro]參數值域的合理界定。

2 不同增益系數下系統的一次調頻響應能力分析

[KW_Ine]值域為5～25（步長為2）和[KW_Dro]值域為1～25（步長亦為2）的零極點分布如圖3所示。

在圖3（a）中，閉環系統的極點位置與其遠離虛軸的程度呈正相關。即極點越遠，系統對外部擾動的抑制速度越快，顯示出更強的抗擾能力。圖3（b）則細致描繪了閉環系統零極點布局的局部。在保持[KW_Ine]不變的情況下，縮減[KW_Dro]的值，可使閉環系統的極點位置更加遠離虛軸。尤其是黑框左側區域，相應的參數設置能賦予系統更為出色的響應能力，這對減少系統頻率的偏差尤為有利。

在滿足風電機組控制系統穩定性要求的前提下，可通過細致的計算與分析，確定不同增益系數組合的邊界值對系統動態特性的影響。這些邊界值反映了增益調整在系統性能優化中的關鍵作用。

當系統頻率低于0.538 rad/s時，采用特定的增益系數組合（如將某一關鍵控制參數設為較低值A，另一參數設為B），系統展現出最低的增益水平，這意味著在該低頻段，系統對功率擾動的抑制能力最為突出，能有效減少低頻波動對系統穩定性的影響。

隨著頻率上升至0.538～0.847 rad/s，調整策略轉變為將某一控制參數設定為15（記為C），而將另一參數設定為25（記為D），這樣的配置能最小化該頻段內的系統增益，進一步增強系統在該頻率范圍內的穩定性和抗干擾能力。

當頻率上升至0.847～4.430 rad/s時，采用另一組增益系數組合（如將某一參數設定為E，另一參數設定為F），系統同樣實現了增益的最小化，顯示出在較高頻段內對波動的有效抑制，確保系統在中頻區域的穩定運行。

然而，當系統頻率超過4.43 rad/s（進入高頻區域）時，無論是采用之前提到的增益系數組合（A與B，或C與D），還是其他經過優化的組合（如G與H），系統增益的表現均趨于一致，差異變得非常微小。這表明在高頻段，系統增益受增益系數組合變化的影響減弱，可能是因為系統的高頻特性主要由其他因素（如傳感器響應速度、執行機構動態性能等）主導。

通過上述分析可知，對一次調頻進行動態調節，能更好地改善系統性能，降低頻率偏差。考慮到電網負載在短期內具有相對穩定的特點，可根據隨時間變化的頻率/負荷波動的頻譜特征，從而精確地選擇出最適合當前頻段的控制參數組合。

3 控制策略設計

3.1 變下垂綜合慣性控制

下垂控制作為一種模擬同步發電機組一次調頻特性的方法，其核心在于建立逆變器有功功率輸出與電網頻率或電壓之間的預設比例關系（即下垂特性）。當電網頻率下降時，逆變器通過檢測頻率變化，并根據下垂特性計算出應該增加的有功功率輸出，從而支持電網頻率的恢復。這種控制策略不僅適用于高壓電網，還可在低壓電網中通過調整逆變器出口處的阻抗等方式，確保下垂關系的有效性。

慣性控制則模擬了傳統發電機在電網頻率變化時的慣性響應。當檢測到電網頻率下降時，逆變器能迅速增加有功功率輸出，以應對頻率的進一步下降。這種控制策略不僅有助于減緩頻率跌落的速度，還為電網運營商爭取了調整其他電源的時間。

在變下垂綜合慣性控制中，巧妙地結合了下垂控制與慣性控制。通過調節下垂控制的增益和慣性控制的時間常數，實現更為精確、快速的頻率響應。具體而言，當電網頻率發生波動時，下垂控制先根據預設的下垂特性調整逆變器的有功功率輸出，隨后慣性控制迅速介入，通過增加額外的慣性支持，進一步穩定電網頻率。

3.2 改進短時功率增發控制

通過集成深度學習模型等先進算法，能更準確預測電網頻率的變化趨勢。基于此，風電機組可提前調整輸出功率設定點，從而在頻率實際下降前就開始增發功率，縮短響應時間。優化逆變器的控制邏輯以增強其動態性能，包括提升逆變器的開關頻率、減少控制延遲以及優化功率轉換效率。同時，采用先進的調制技術，如空間矢量脈寬調制（SVPWM），進一步提高逆變器在短時間內增加輸出功率的能力。實施分層控制策略，可協調不同風電機組之間的功率增發。通過中央控制器或分布式協調機制，可實現風電場內部各機組之間的信息共享與協同控制。當檢測到電網頻率下降時，優先調用具有更高增發潛力的機組，以實現更加快速的頻率恢復。此外，強化風電機組的過載保護機制也是必不可少的。在短時功率增發過程中，風電機組可能會面臨過載風險，因此需要設計更為智能的過載檢測和保護策略，確保在保障電網穩定的同時，不損害機組自身的安全與健康。同時，加強與其他電網資源的協調互動。與儲能系統、傳統發電廠的協調控制可以形成互補優勢，共同應對電網頻率波動，通過信息共享和協同調度，實現電網資源的優化配置與高效利用。

4 結語

盡管本研究在基于分頻段原理的風電機組一次調頻控制方面取得了一定成果，但仍存在一些問題。未來，可對多風電機組之間的協調控制策略進行研究，以提高整個風電場在電網一次調頻中的響應速度和穩定性。儲能設備在風電調頻中具有重要作用，因此，也可以對儲能設備與風電機組的聯合控制策略進行研究。同時，為了更準確地模擬風電機組的運行特性和電網的動態響應過程，需要建立更加精細化的模型和仿真平臺。綜上所述，基于分頻段原理的風電機組一次調頻控制方法具有廣闊的應用前景和研究價值，通過不斷深入研究和實踐應用，可進一步推動該技術的發展。

參考文獻：

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［5］王琦.高風電滲透率電力系統調頻能力評估及調控策略研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2023.