考虑源荷随机波动特性的风电改进调频控制策略

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.260213

摘要/Abstract

摘要：

目的大规模风电接入导致电网惯量下降，而且湍流风速下风机的波动功率合并负荷随机波动会加剧电网频率波动，为此，提出了一种基于源荷综合波动量并考虑源荷随机波动特性的风电控制策略。方法针对传统下垂控制策略面对不同等级的源荷波动情况下无法合理提供功率而导致调频效果较差的现象进行了机理分析，并基于湍流风速的预测值与负荷端波动量构建了源荷综合变化量。根据源荷随机波动提出一种基于源荷综合变化量的调频控制策略，并对风机有功参考值进行前馈修正，以改善风机参与电网调频的效果。结果 MATLAB仿真与风机实验平台的结果表明，该策略提高了风机调频对于风速波动的响应能力，在源荷随机波动下的平均频率偏差、频率跌落程度方面具有明显的优越性。结论该策略有效优化了源荷波动下风机自身运行和参与调频之间的问题，对提高新能源高占比电网的调频能力具有重要意义。

关键词: 双碳, 风电, 下垂控制, 一次调频, 湍流特性, 源荷波动

Abstract:

Objectives Large-scale wind power integration leads to a decrease in grid inertia, and the fluctuating power of wind turbines combined with random fluctuation of load under turbulent wind speed aggravates the frequency fluctuation in the power grid. Therefore, a wind power control strategy is proposed based on the comprehensive fluctuation of source-load, considering their random fluctuation characteristics. Methods A mechanistic analysis is conducted to address the issue where traditional droop control strategy fails to provide reasonable power in response to source-load fluctuations at different levels, leading to poor frequency regulation performance. Based on the predicted turbulent wind speed and load fluctuations, a comprehensive variation of source-load is constructed. A frequency regulation control strategy based on the comprehensive variation of source-load is proposed, which involves feedforward correction of the active power reference value of the wind turbine to improve the wind turbine’s participation in grid frequency regulation. Results The results of MATLAB simulation and wind turbine experimental platform show that this strategy improves the responsiveness of wind turbine frequency regulation to wind speed fluctuation, and demonstrates a significant advantage in terms of average frequency deviation and degree of frequency drop under random source-load fluctuations. Conclusions This strategy effectively improves the issue between the wind turbine’s own operation and its participation in frequency regulation under source-load fluctuations, and is of significant importance for improving the frequency regulation capability of power grids with a high proportion of renewable energy.

Key words: dual carbon, wind power, droop control, primary frequency regulation, turbulence characteristics, source-load fluctuation

中图分类号:

TK 81

张小莲, 胡淇, 郝思鹏, 黄鹏. 考虑源荷随机波动特性的风电改进调频控制策略[J]. 发电技术, 2026, 47(2): 359-369.

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图/表 21

图1 电网一阶频率响应模型

Fig. 1 First-order frequency response model of power grid

图2 下垂控制流程

Fig. 2 Droop control flow

图3 8A风速

Fig. 3 8A wind speed

图4 8A风速下负荷波动5%的频率偏差

Fig. 4 Frequency deviation of 5% load fluctuation under 8A wind speed

图5 8A风速下负荷波动10%的频率偏差

Fig. 5 Frequency deviation of 10% load fluctuation under 8A wind speed

图6 考虑源荷随机波动特性的控制框图

Fig. 6 Control block diagram considering source-load random fluctuation characteristics

图7 前馈源荷功率计算流程图

Fig. 7 Flow chart of feedforward source-load power calculation

表1 风速场景

Tab. 1 Wind speed scenario

场景	湍流等级	负荷突增突变时间/s
1	A	100
2	A	155
3	B	100
4	B	155
5	C	100
6	C	155

表2 仿真参数

Tab. 2 Simulation parameters

对象	参数	数值
风机参数	R/m	20
	H_w/s	5.54
	λ_opt	5.8
	C $p m a x$	0.460 3
电网参数	H_d/s	4
	D_S	1
	K_m	0.95
	F_H	0.3
	T_Re/s	8.0
	R_G	0.05
控制器参数	K_d	2×10⁵

表2 仿真参数

Tab. 2 Simulation parameters

对象	参数	数值
风机参数	R/m	20
	H_w/s	5.54
	λ_opt	5.8
	C $p m a x$	0.460 3
电网参数	H_d/s	4
	D_S	1
	K_m	0.95
	F_H	0.3
	T_Re/s	8.0
	R_G	0.05
控制器参数	K_d	2×10⁵

图8 A级湍流风速的频率偏差

Fig. 8 Frequency deviation of level A turbulent wind

表3 A级湍流数据

Tab. 3 Level A turbulence data

场景	评估指标	SSL	STC	下垂控制
场景1	平均频率偏差/Hz	-0.084 54	-0.084 58	-0.084 61
	频率最低点/Hz	-0.193 8	-0.208 6	-0.208 9
	平均频率偏差提升率/%	0.08	0.04
	频率最低点提升率/%	7.23	0.14
场景2	平均频率偏差/Hz	0.049 79	0.050 18	0.050 13
	频率最低点/Hz	-0.232 7	-0.234 9	-0.244 4
	平均频率偏差提升率/%	0.69	-0.09
	频率最低点提升率/%	4.79	3.87

图9 B级湍流风速的频率偏差

Fig. 9 Frequency deviation of level B turbulent wind

表4 B级湍流数据

Tab. 4 Level B turbulence data

场景	评估指标	SSL	STC	下垂控制
场景3	平均频率偏差/Hz	-0.055 57	-0.055 68	-0.055 75
	频率最低点/Hz	-0.383 5	-0.387 6	-0.399 6
	平均频率偏差提升率/%	0.32	0.13
	频率最低点提升率/%	4.03	3.00
场景4	平均频率偏差/Hz	-0.021 23	-0.021 61	-0.021 61
	频率最低点/Hz	-0.351 7	-0.374 5	-0.373 2
	平均频率偏差提升率/%	1.76	0.00
	频率最低点提升率/%	5.76	-0.35

图10 C级湍流风速的频率偏差

Fig. 10 Frequency deviations of level C turbulent wind

表5 C级湍流数据

Tab. 5 Level C turbulence data

场景	评估指标	SSL	STC	下垂控制
场景5	平均频率偏差/Hz	-0.075 99	-0.077 36	-0.077 7
	频率最低点/Hz	-0.320 3	-0.322 5	-0.322
	平均频率偏差提升率/%	2.20	0.44
	频率最低点提升率/%	0.53	-0.16
场景6	平均频率偏差/Hz	-0.054 3	-0.055 4	-0.055 9
	频率最低点/Hz	-0.324 9	-0.331 1	-0.331 5
	平均频率偏差提升率/%	2.86	0.89
	频率最低点提升率/%	1.99	0.12

图11 实验平台

Fig. 11 Experimental platform

图12 阶梯负荷

Fig. 12 Step load

图13 调频效果对比

Fig. 13 Comparison of frequency regulation effects

图14 风机转子转速对比

Fig. 14 Comparison of wind turbine rotor speeds

图15 风机输出功率对比

Fig. 15 Comparison of wind turbine output power

表6 实验数据对比统计

Tab. 6 Statistical comparison of experimental data

评估指标	SSL	下垂控制
平均频率偏差/Hz	0.032 616	0.037 526
平均频率偏差提升率/%	13.08
第1次频率最低点/Hz	-0.226	-0.240
第1次频率最低点提升率/%	5.83
第2次频率最低点/Hz	-0.16	-0.18
第2次频率最低点提升率/%	11.11

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