考虑转矩限制惯性控制功率特性的风电场多机组协同频率调节控制研究

《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》：Multi-Turbine Cooperative Frequency Regulation Control for Wind Farms Considering Torque-Limited Inertial Control Power Characteristics

本文针对大规模风电场集群采用转矩限制惯性控制(TLIC)时可能引发的频率反冲(FR)问题，提出了一种考虑TLIC功率特性的多机组协同频率调节控制方法。研究通过分析TLIC下的频率响应特性，揭示了同时即时支持(SIIS)和同时延迟支持(SIDS)场景中FR的产生条件，并基于TLIC功率同步升降特性设计了机组顺序启动策略。实验验证表明，该方法能有效避免FR现象，进一步提升频率最低点(FN)，显著改善了风电场参与电网频率调节的性能。

　　

随着风电装机容量的持续增长，电力系统的等效惯性不断降低，频率稳定问题日益突出。这迫切要求风电具备短期频率支撑控制(SFSC)能力。在众多SFSC方法中，基于功率与风机转子转速关系的转矩限制惯性控制(TLIC)因其风机运行稳定性强且能避免二次频率跌落(SFD)而成为研究热点。然而，随着风电渗透率的提高，当风电场集群同时采用TLIC提供功率支持时，可能会引发不必要的频率反冲(FR)现象，持续恶化频率调节性能。这种现象不仅多余，还会给依赖频率偏差作为控制输入的同步发电机(SG)造成电力过剩的错觉，从而限制其功率提升能力，对频率最低点(FN)和恢复过程产生不利影响。

为了应对这一挑战，发表在《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》上的论文《Multi-turbine Cooperative Frequency Regulation Control for Wind Farms Considering Torque-limited Inertial Control Power Characteristics》聚焦于TLIC方法，深入分析了其在SIIS和SIDS两种场景下引发FR的条件，并提出了一种创新的多机组协同频率调节控制策略。

研究人员为开展此项研究，主要运用了几个关键技术方法：首先，建立了基于TLIC的风电机组(WT)和风电场(WF)模型以及含风电的电力系统频率响应模型，用于理论分析和仿真。其次，通过理论推导明确了SIIS和SIDS场景下FR现象的产生条件。接着，提出了基于频率动态监测和先前FN检测的多机组顺序启动TLIC控制策略。最后，研究通过构建风电并网电力系统实验平台，对提出的顺序支持(SQS)方法与传统方法（无支持NoS、SIIS、SIDS）进行了对比实验验证，涵盖了不同初始运行状态（相同风速和不同风速）和不同风电渗透率等多种场景。

III. 频率反冲现象与产生条件

研究发现，当风电场集群中的所有风机在频率事件后同时启动TLIC支持时，风电功率的突增可能超过系统功率缺额，导致正的功率不平衡，从而引发FR。理论分析表明，在SIDS场景下，由于系统频率响应函数导数 h'_step(t) 在短时间内呈递减特性，FR现象比SIIS场景更为显著。仿真结果验证了这一点，同时支持方法（SIIS和SIDS）对FN的改善效果有限，甚至因FR而受限。

IV. 多机组协同频率调节控制方法

为解决FR问题，论文提出了多机组协同频率调节控制方法。该方法的核心在于改变所有风机同时动作的模式，转而采用顺序启动策略。具体而言，第一台风机(WT1)在频率事件后立即启动TLIC以抑制频率快速下降。第二台风机(WT2)的启动时机根据负载功率扰动下的FN发生时刻进行估算，以最大化其对频率改善的贡献。后续风机(WTi, i≥3)则在频率再次达到先前观测到的FN（Δf_min^ex）时依次启动。这种策略不仅避免了因同时支持导致的过量功率增量，还利用新启动风机的TLIC功率增量补偿了已启动风机逐渐下降的功率，使风电场频率调节能量在更长时间内分布更均匀。

V. 仿真与实验验证

仿真和实验结果表明，与传统NoS、SIIS和SIDS方法相比，提出的SQS方法能有效避免FR现象。在不同风电渗透率和不同风机初始运行状态下，SQS方法均能获得最佳的FN，显著提升了风电场参与频率调节的性能。例如，在25%渗透率的仿真案例1中，SQS方法将FN从NoS的-0.6602 Hz提升至-0.5155 Hz，改善效果明显。实验平台的结果也一致证实了SQS方法的优越性和鲁棒性。

结论与意义

本研究阐明了风电场集群采用TLIC参与频率调节时引发FR的机理和条件。所提出的多机组协同频率调节控制方法通过顺序启动TLIC，巧妙地缓解了功率突增问题，并通过功率补偿机制优化了频率支撑过程。该方法在不牺牲风机动态稳定性的前提下，有效抑制了FR，进一步提升了FN，为高比例风电并网环境下电力系统的频率安全稳定运行提供了有价值的解决方案。未来工作可拓展至不同类型风机（如构网型与跟网型风机）之间的协同控制。