一种基于可用调频能量的风电机组综合虚拟惯性控制参数整定方法

摘要：风电机组附加综合虚拟惯性控制是提高新型电力系统频率稳定性的重要措施，有效评估该控制下风电机组的调频能力，并通过合理设置控制参数对调频能力进行充分利用具有重要意义。

风电机组附加综合虚拟惯性控制是提高新型电力系统频率稳定性的重要措施，有效评估该控制下风电机组的调频能力，并通过合理设置控制参数对调频能力进行充分利用具有重要意义。

东北电力大学微通电力系统研究团队与国家电网公司东北分部合作，在2025年第5期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于可用调频能量的风电机组综合虚拟惯性控制参数整定方法，从能量角度有效评估风电机组在不同风速下的调频能力，根据实际运行场景整定控制参数。所提方法可以在保障机组运行安全的基础上最大程度利用其调频能力，使综合调频效果最好。

研究背景

风电的大规模并网有助于构建新型电力系统，却也威胁着电力系统的安全稳定运行。为减弱风电并网带来的冲击，国内外通过附加控制使风电机组模拟同步机的频率响应特性。综合虚拟惯性控制可以充分利用风电机组的转子动能，无需减载运行，是目前主流的风电调频方法。但较小的控制参数不能充分发挥机组的调频能力，较大的参数会造成频率的二次跌落、转子转速越限问题，因此充分利用风电机组的调频能力，合理优化整定控制参数是目前研究亟须解决的问题。

论文所解决的问题及意义

虽然现有研究根据一次调频需求、风机运行安全等不同目标相继提出了一系列参数整定方法，但都很少考虑风电机组的调频能力，选取的参数与机组实际调频能力不匹配，容易造成资源浪费或导致过度调频。

针对调频能力的评估，现有研究未考虑风机偏移MPPT造成的机械能损失，且在能量分配时缺少对系统实际运行场景的考虑。本文提出的方法有效评估了风电机组在不同风速下的调频能力，实现了在不同运行场景下得到综合控制效果最优的控制参数整定值，在保障机组运行安全的基础上最大程度利用了其调频能力。

论文方法及创新点

1、风电机组的调频能力评估

本文以二次函数曲线近似风电机组在MPPT区间和恒转速区间的机械功率曲线，简化机械功率表达式。通过推导风电机组机械能损失和可用转子动能与风速之间的数学模型，揭示风速变化对二者的影响，直观给出调频能量的数学表达式，从而量化风电机组在不同风速下的调频能力。

2、风电机组综合虚拟惯性控制的参数整定

本文分别参照同步机的频率调节效应系数和惯量常数，构建调频能量与控制参数的关系表达式。计及风电机组可用调频能量、系统的频率偏差和频率变化率，考虑不同场景下的调频优先等级，设计模糊控制规则，并基于模糊控制规则采用模糊逻辑控制方法得到综合控制效果最优时的控制参数整定值。

3、算例分析

本文在MATLAB/Simulink仿真平台搭建了改进的IEEE 3机9节点系统，设置了无附加控制、定系数控制、按同步机能量分配机制的变系数控制以及本文所采用控制等4个算例，并在MPPT区间和恒转速区间内的不同风速下进行了有效性验证。

图1 9m/s下不同算例的仿真曲线

图2 11m/s下不同算例的仿真曲线

本文所提方法的整定结果能够与风机当前运行状态下的实际调频能力相匹配，避免了定系数控制在MPPT区间因参数过大导致的过度调频和在恒转速区间因参数过小造成的资源浪费问题。同时，本文所提方法可以根据系统的实际运行场景确定调频优先等级，更合理地分配提供给惯量响应和一次调频阶段的能量，相比于按同步机能量分配机制，本方法的转子动能释放程度更深，对可用调频能量的利用更充分，调频效果更好。

结论

1）综合考虑风电机组释放的转子动能和机械能损失，提出风电机组调频能力的评估方法。根据推导的风电机组机械能损失和可用转子动能与风速之间的数学模型发现，风速越大，最大可用调频能量越大且对应的转速越高，转速变化范围越小，机械能损失越多。

2）基于可用调频能量，综合考虑频率最低点和频率变化率，采用模糊逻辑控制整定控制参数的方法可以使得综合调频效果最好，最大程度地利用风电机组的调频能力。同时可为如何制定风电机组综合虚拟惯性控制的能量分配机制提供研究思路。

团队介绍

东北电力大学微通电力系统研究室创建于1991年，依托现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室，主要从事电力系统安全分析与控制、可再生能源联网规划与运行控制、大规模储能运行控制、电力电子化电力系统运行分析与控制、需求侧资源调控与综合能源系统、大数据与人工智能在电力系统中应用等领域的科研工作。