摘 要：【目的】為精確控制電網(wǎng)頻率，調(diào)整風(fēng)電機組的有功功率輸出，滿足風(fēng)電參與一次調(diào)頻的需求，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性、靈活性，提出基于分頻段原理的風(fēng)電機組一次調(diào)頻控制方法?！痉椒ā繉㈦娋W(wǎng)頻率變化率（ROCOF）劃分為低、中、高三個區(qū)間，并結(jié)合對風(fēng)電機組與火電機組在一次調(diào)頻過程中響應(yīng)行為差異的分析，設(shè)計分頻段綜合慣量調(diào)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(fā)控制等策略，以實現(xiàn)風(fēng)電機組對電網(wǎng)頻率變化的快速精準響應(yīng)，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性與靈活性。【結(jié)果】通過細分頻率變化區(qū)間，并結(jié)合多種控制策略，實現(xiàn)風(fēng)電機組對電網(wǎng)頻率變化的快速響應(yīng)和精準調(diào)節(jié)，且不同增益系數(shù)下，系統(tǒng)在低頻段有效抑制波動，中高頻段精準調(diào)節(jié)頻率與功率，展現(xiàn)出對應(yīng)的調(diào)頻響應(yīng)能力?！窘Y(jié)論】該方法具有廣闊的應(yīng)用前景和研究價值，但仍要進一步研究多風(fēng)電機組協(xié)調(diào)控制、儲能設(shè)備與風(fēng)電機組聯(lián)合控制策略，建立更精細的模型和仿真平臺，以推動技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機組；一次調(diào)頻；分頻段；頻率穩(wěn)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(fēng)電作為一種清潔的可再生能源，在全球范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。一次調(diào)頻是控制電網(wǎng)頻率的重要手段，可通過自動調(diào)整機組的有功功率來維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定［1］。傳統(tǒng)的一次調(diào)頻機組主要由火電機組和水電機組組成，但隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的擴大，風(fēng)電參與一次調(diào)頻的需求日益迫切。本研究提出的基于分頻段原理的風(fēng)電機組一次調(diào)頻控制策略，能夠分頻段處理風(fēng)電信號，提取不同頻段下的風(fēng)電功率波動特性，并據(jù)此調(diào)整風(fēng)電機組的有功功率輸出，實現(xiàn)精確控制電網(wǎng)頻率。

從專業(yè)技術(shù)角度看，分頻段可以顯著提升風(fēng)電機組在電網(wǎng)頻率波動時的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)能力，使風(fēng)電這一間歇性電源在并網(wǎng)后能夠更好地融入并支撐電網(wǎng)運行，提升電網(wǎng)的靈活性和韌性。從能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度看，風(fēng)電作為清潔能源的代表，其高效、穩(wěn)定地并網(wǎng)運行是推動能源結(jié)構(gòu)從化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。通過提升風(fēng)電機組的一次調(diào)頻能力，能有效增加風(fēng)電在電網(wǎng)中的滲透率，減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，促進能源消費的綠色轉(zhuǎn)型。從電網(wǎng)安全穩(wěn)定角度看，風(fēng)電機組參與一次調(diào)頻能顯著增強電網(wǎng)應(yīng)對突發(fā)事件和故障的能力［2］。在電網(wǎng)頻率發(fā)生大幅波動時，風(fēng)電機組能迅速響應(yīng)并調(diào)節(jié)其輸出功率，幫助電網(wǎng)快速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，保障電力供應(yīng)的連續(xù)性，對維護社會經(jīng)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(wǎng)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(yīng)需求的區(qū)間，即分頻段。這一劃分不僅考慮了電網(wǎng)頻率變化的快慢，還兼顧了不同變化速率下電網(wǎng)對風(fēng)電機組調(diào)頻響應(yīng)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(qū)間，每個區(qū)間對應(yīng)不同的控制邏輯和策略。在低ROCOF區(qū)間，電網(wǎng)頻率變化較為平緩，此時風(fēng)電機組需要保持一定的調(diào)頻響應(yīng)能力，但要避免過度干預(yù)電網(wǎng)運行；在中ROCOF區(qū)間，電網(wǎng)頻率變化適中，風(fēng)電機組根據(jù)頻率偏差動態(tài)調(diào)整其輸出功率，以提供必要的調(diào)頻支持；在高ROCOF區(qū)間，電網(wǎng)頻率發(fā)生急劇變化，風(fēng)電機組需要迅速響應(yīng)，通過增發(fā)功率等手段，有效抑制頻率波動，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行［3］。

1.2 系統(tǒng)頻率擾動分析

同一擾動條件下，風(fēng)力發(fā)電單元與火力發(fā)電單元共同參與電網(wǎng)一次調(diào)頻過程中的功率輸出動態(tài)，如圖1所示。由圖1可知，在頻率擾動的初期，風(fēng)力發(fā)電單元展現(xiàn)出了迅速響應(yīng)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(fù)，其調(diào)節(jié)過程可能引入額外的調(diào)頻負擔(dān)［4］。而火力發(fā)電單元憑借其較大的慣性時間常數(shù)特性，能在更長的時段內(nèi)保持相對穩(wěn)定的輸出功率，對穩(wěn)定維持系統(tǒng)頻率起到關(guān)鍵作用?；诖?，風(fēng)力發(fā)電單元在應(yīng)對系統(tǒng)高頻部分的小幅、快速頻率波動時，表現(xiàn)出較高的適配性。風(fēng)力發(fā)電單元在限定的范圍內(nèi)能靈活調(diào)整系統(tǒng)頻率，可以在維持最大功率追蹤模式的同時，有效降低系統(tǒng)頻率的偏差及變化速率，從而增強電網(wǎng)的整體穩(wěn)定性和響應(yīng)能力。

1.3 分頻段一次調(diào)頻方法建立

本研究深入探討了風(fēng)電機組與火電機組在一次調(diào)頻過程中的響應(yīng)行為差異［5］，進而設(shè)計出一種針對風(fēng)電機組的分頻段綜合慣量調(diào)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(tǒng)頻率信號先經(jīng)由一個高通濾波器，剔除其中的高頻噪聲成分。之后，風(fēng)電機組的綜合慣量控制則依據(jù)這一濾波后的信號進行調(diào)整，確保輸出更加精準。經(jīng)過高通濾波的系統(tǒng)頻率信號，其特征表現(xiàn)為顯著的高頻振蕩并伴隨一定程度的幅值衰減。當(dāng)風(fēng)電機組依據(jù)圖2中的控制邏輯參與一次調(diào)頻任務(wù)時，待調(diào)節(jié)的功率擾動量為ΔP，相關(guān)計算見式（1）。

[TWH=-12π·KW_IneΔP]" " "（1）

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

假設(shè)穩(wěn)態(tài)時風(fēng)機組負責(zé)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(fēng)電機組下垂控制系數(shù)。

將式（2）代入式（1）中，可以推導(dǎo)出在特定頻率偏差閾值[ΔfTH]條件下，應(yīng)用于高通濾波器所需的時間常數(shù)[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(fēng)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(shè)定，本研究設(shè)定的閾值變化量[ΔfTH]為0.1 Hz。由式（3）可知，風(fēng)電機組初次調(diào)頻控制效能的關(guān)鍵調(diào)控要素為[TWH]、[KW_Ine]和[KW_Dro]的參數(shù)配置。在維持系統(tǒng)其他參數(shù)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(shè)定緊密相關(guān)?；诖?，后續(xù)將聚焦于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性評估與頻率響應(yīng)特征的考量，深入探討[KW_Ine]與[KW_Dro]參數(shù)值域的合理界定。

2 不同增益系數(shù)下系統(tǒng)的一次調(diào)頻響應(yīng)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(huán)系統(tǒng)的極點位置與其遠離虛軸的程度呈正相關(guān)。即極點越遠，系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)的極點位置更加遠離虛軸。尤其是黑框左側(cè)區(qū)域，相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置能賦予系統(tǒng)更為出色的響應(yīng)能力，這對減少系統(tǒng)頻率的偏差尤為有利。

在滿足風(fēng)電機組控制系統(tǒng)穩(wěn)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(shù)組合的邊界值對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。這些邊界值反映了增益調(diào)整在系統(tǒng)性能優(yōu)化中的關(guān)鍵作用。

當(dāng)系統(tǒng)頻率低于0.538 rad/s時，采用特定的增益系數(shù)組合（如將某一關(guān)鍵控制參數(shù)設(shè)為較低值A(chǔ)，另一參數(shù)設(shè)為B），系統(tǒng)展現(xiàn)出最低的增益水平，這意味著在該低頻段，系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

隨著頻率上升至0.538～0.847 rad/s，調(diào)整策略轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒛骋豢刂茀?shù)設(shè)定為15（記為C），而將另一參數(shù)設(shè)定為25（記為D），這樣的配置能最小化該頻段內(nèi)的系統(tǒng)增益，進一步增強系統(tǒng)在該頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

當(dāng)頻率上升至0.847～4.430 rad/s時，采用另一組增益系數(shù)組合（如將某一參數(shù)設(shè)定為E，另一參數(shù)設(shè)定為F），系統(tǒng)同樣實現(xiàn)了增益的最小化，顯示出在較高頻段內(nèi)對波動的有效抑制，確保系統(tǒng)在中頻區(qū)域的穩(wěn)定運行。

然而，當(dāng)系統(tǒng)頻率超過4.43 rad/s（進入高頻區(qū)域）時，無論是采用之前提到的增益系數(shù)組合（A與B，或C與D），還是其他經(jīng)過優(yōu)化的組合（如G與H），系統(tǒng)增益的表現(xiàn)均趨于一致，差異變得非常微小。這表明在高頻段，系統(tǒng)增益受增益系數(shù)組合變化的影響減弱，可能是因為系統(tǒng)的高頻特性主要由其他因素（如傳感器響應(yīng)速度、執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)性能等）主導(dǎo)。

通過上述分析可知，對一次調(diào)頻進行動態(tài)調(diào)節(jié)，能更好地改善系統(tǒng)性能，降低頻率偏差。考慮到電網(wǎng)負載在短期內(nèi)具有相對穩(wěn)定的特點，可根據(jù)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(dāng)前頻段的控制參數(shù)組合。

3 控制策略設(shè)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(fā)電機組一次調(diào)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(wǎng)頻率或電壓之間的預(yù)設(shè)比例關(guān)系（即下垂特性）。當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時，逆變器通過檢測頻率變化，并根據(jù)下垂特性計算出應(yīng)該增加的有功功率輸出，從而支持電網(wǎng)頻率的恢復(fù)。這種控制策略不僅適用于高壓電網(wǎng)，還可在低壓電網(wǎng)中通過調(diào)整逆變器出口處的阻抗等方式，確保下垂關(guān)系的有效性。

慣性控制則模擬了傳統(tǒng)發(fā)電機在電網(wǎng)頻率變化時的慣性響應(yīng)。當(dāng)檢測到電網(wǎng)頻率下降時，逆變器能迅速增加有功功率輸出，以應(yīng)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(wǎng)運營商爭取了調(diào)整其他電源的時間。

在變下垂綜合慣性控制中，巧妙地結(jié)合了下垂控制與慣性控制。通過調(diào)節(jié)下垂控制的增益和慣性控制的時間常數(shù)，實現(xiàn)更為精確、快速的頻率響應(yīng)。具體而言，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，下垂控制先根據(jù)預(yù)設(shè)的下垂特性調(diào)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(wěn)定電網(wǎng)頻率。

3.2 改進短時功率增發(fā)控制

通過集成深度學(xué)習(xí)模型等先進算法，能更準確預(yù)測電網(wǎng)頻率的變化趨勢?；诖耍L(fēng)電機組可提前調(diào)整輸出功率設(shè)定點，從而在頻率實際下降前就開始增發(fā)功率，縮短響應(yīng)時間。優(yōu)化逆變器的控制邏輯以增強其動態(tài)性能，包括提升逆變器的開關(guān)頻率、減少控制延遲以及優(yōu)化功率轉(zhuǎn)換效率。同時，采用先進的調(diào)制技術(shù)，如空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM），進一步提高逆變器在短時間內(nèi)增加輸出功率的能力。實施分層控制策略，可協(xié)調(diào)不同風(fēng)電機組之間的功率增發(fā)。通過中央控制器或分布式協(xié)調(diào)機制，可實現(xiàn)風(fēng)電場內(nèi)部各機組之間的信息共享與協(xié)同控制。當(dāng)檢測到電網(wǎng)頻率下降時，優(yōu)先調(diào)用具有更高增發(fā)潛力的機組，以實現(xiàn)更加快速的頻率恢復(fù)。此外，強化風(fēng)電機組的過載保護機制也是必不可少的。在短時功率增發(fā)過程中，風(fēng)電機組可能會面臨過載風(fēng)險，因此需要設(shè)計更為智能的過載檢測和保護策略，確保在保障電網(wǎng)穩(wěn)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(wǎng)資源的協(xié)調(diào)互動。與儲能系統(tǒng)、傳統(tǒng)發(fā)電廠的協(xié)調(diào)控制可以形成互補優(yōu)勢，共同應(yīng)對電網(wǎng)頻率波動，通過信息共享和協(xié)同調(diào)度，實現(xiàn)電網(wǎng)資源的優(yōu)化配置與高效利用。

4 結(jié)語

盡管本研究在基于分頻段原理的風(fēng)電機組一次調(diào)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(fēng)電機組之間的協(xié)調(diào)控制策略進行研究，以提高整個風(fēng)電場在電網(wǎng)一次調(diào)頻中的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。儲能設(shè)備在風(fēng)電調(diào)頻中具有重要作用，因此，也可以對儲能設(shè)備與風(fēng)電機組的聯(lián)合控制策略進行研究。同時，為了更準確地模擬風(fēng)電機組的運行特性和電網(wǎng)的動態(tài)響應(yīng)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(fēng)電機組一次調(diào)頻控制方法具有廣闊的應(yīng)用前景和研究價值，通過不斷深入研究和實踐應(yīng)用，可進一步推動該技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻：

［1］姚瑤，王瑛瑋，左峰，等.基于分頻段原理的風(fēng)電機組一次調(diào)頻控制策略［J］.節(jié)能技術(shù)，2024，42（4）：362-367.

［2］趙婷，呂志鵬，劉國宇，等.虛擬同步機技術(shù)系列標準解讀［J］.供用電，2019，36（4）：13-17，36.

［3］劉華志，張祥宇，李永剛，等.虛擬同步雙饋風(fēng)電機組的非線性聯(lián)軸功率振蕩抑制方法［J］.中國電機工程學(xué)報，2023，43（4）：1449-1463.

［4］柴建云，趙楊陽，孫旭東，等.虛擬同步發(fā)電機技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用與展望［J］.電力系統(tǒng)自動化，2018，42（9）：17-25，68.

［5］王琦.高風(fēng)電滲透率電力系統(tǒng)調(diào)頻能力評估及調(diào)控策略研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2023.