双馈风机参与系统一次调频的控制策略分析

摘要：本文分析了双馈风机参与系统一次调频的虚拟惯量控制策略、下垂控制策略和附加控制策略等多种控制策略，详细阐述了各控制策略的原理、特点及参数设置对调频效果和风机运行的影响，并通过对比分析不同策略在不同工况下的性能表现，不同控制策略各有优劣，应根据电网实际需求和运行条件选择合适的控制策略或进行策略组合，实现双馈风机高效、稳定地参与系统一次调频，提升电力系统的频率稳定性和可靠性。

关键词：双馈风机；一次调频；控制策略；频率稳定性

近年来，风力发电作为一种清洁、可再生能源得到了迅猛发展，双馈感应发电机在风力发电领域得到了广泛应用。传统同步发电机具有惯性和一次调频能力能够在系统频率变化时自动调整有功功率输出，维持系统频率稳定，而双馈风机通常采用最大功率跟踪控制策略以最大限度地捕获风能，使得其在系统频率变化时不能像同步发电机那样自动响应，对系统频率稳定的支撑能力较弱。

一、双馈风机的基本原理与特性

（一）双馈风机的结构与工作原理

从结构与工作原理来看双馈风机主要由风力机、齿轮箱、发电机和变流器等部分构成，风力机捕获风能并将其转化为机械能，通过齿轮箱增速后传递给发电机，发电机一般为绕线式异步发电机，其定子绕组直接连接到电网，转子绕组则通过变流器与电网相连。变流器能控制转子电流的频率、幅值和相位实现双馈风机的变速恒频运行，当风速变化时风力机可在较宽的转速范围内运行，通过变流器调节转子励磁使定子输出的电能频率保持恒定，满足电网的要求。

（二）双馈风机的功率特性

在低风速阶段，风机通常采用最大功率跟踪（MPPT）控制策略，通过调整风机的转速使风力机的叶尖速比保持在最优值附近，捕获最大的风能，此时风机的输出功率随风速的增加而迅速上升。当风速达到额定风速后为避免发电机过载，风机将通过桨距角控制等方式限制功率输出，使输出功率保持在额定值附近。当风速超过切出风速时，为保护设备安全风机会停止运行。

二、电力系统一次调频基本理论

（一）一次调频的定义与作用

一次调频是指当电力系统中出现有功功率不平衡导致系统频率发生变化时，发电机组的调速器会根据频率的变化自动调整其有功功率输出以减小频率偏差，维持系统频率在允许范围内。一次调频是电力系统频率控制的第一道防线，具有快速响应的特点，能在数秒至数十秒内对频率变化做出反应，可有效避免频率大幅波动对电力设备和用户造成的不良影响，保障电力系统的安全稳定运行。

（二）一次调频的控制原理

调速器主要由测量元件、给定元件、比较元件、放大元件和执行元件等组成，测量元件实时监测系统频率，将其与给定的额定频率进行比较得到频率偏差信号，该偏差信号经过放大元件放大后驱动执行元件动作，调整原动机的进汽量或进水量从而改变发电机组的输出功率。当系统频率下降时调速器会增加原动机的输入能量，使发电机输出功率增加；反之，当系统频率上升时调速器会减少原动机的输入能量，降低发电机输出功率，这种基于频率偏差的自动调节过程能够快速平衡系统中的有功功率，使频率恢复到接近额定值。

（三）一次调频的性能指标

常见的性能指标包括频率偏差、调频死区和调节速率等，频率偏差反映了系统频率偏离额定值的程度，较小的频率偏差表示一次调频的效果较好，能有效维持系统频率稳定。调频死区是指调速器不动作的频率范围，设置调频死区是为了避免调速器在频率微小变化时频繁动作减少设备磨损，但死区过大可能会导致调频不及时。调节速率则表示发电机组在单位时间内能够调整的有功功率大小，较高的调节速率意味着机组能够更快地响应频率变化增强系统的调频能力，通过合理设置和优化这些性能指标可以提高一次调频的效率，保障电力系统的稳定运行。

三、双馈风机参与一次调频的控制策略

（一）虚拟惯量控制策略

传统同步发电机具有自然的惯性能在系统频率变化时快速释放或吸收能量，而双馈风机通过电力电子变流器与电网相连，几乎没有惯性响应能力，虚拟惯量控制策略的核心思想就是模拟同步发电机的惯性响应，使双馈风机能够在系统频率变化时提供类似的惯量支持[1]。从原理上来说，虚拟惯量控制是通过检测系统频率的变化率，根据设定的虚拟惯量系数计算出需要额外输出或吸收的功率，当系统频率下降时代表系统有功功率不足，双馈风机根据虚拟惯量控制算法快速释放转子中储存的动能，增加有功功率输出，例如设定虚拟惯量系数为 2，当检测到系统频率下降率为 0.1Hz/s 时双馈风机将按照相应的计算规则，额外输出一定功率，是其额定功率的 5% - 10% ，具体数值取决于风机的运行状态和系统需求，反之当系统频率上升时双馈风机则吸收一部分有功功率，储存能量。

在实现虚拟惯量控制时通常采用在双馈风机的控制环中加入虚拟惯量控制环节，通过对变流器的控制调整转子电流的幅值和相位，实现对有功功率的快速调节，然而虚拟惯量如果系数设置过大，虽然在频率变化时风机能够提供较大的功率支持，但会导致风机转子转速过度下降影响其后续的稳定运行；如果系数设置过小，那么就无法充分发挥虚拟惯量控制的作用，对系统频率调节的效果不明显。

（二）下垂控制策略

下垂控制的基本原理是基于系统频率偏差与风机有功功率输出之间的线性关系，当系统频率发生变化时双馈风机控制器检测到频率偏差，根据预先设定的下垂系数，按照公式：

计算出需要调整的有功功率，进而通过控制变流器来改变风机的有功功率输出，其中负号表示频率下降时风机增加有功功率输出；频率上升时，风机减少有功功率输出[2]。下垂系数的选择对下垂控制的效果起着关键作用，若下垂系数设置较大，那么双馈风机对频率变化的响应更为敏感，例如当 =5 时，系统频率下降0.1Hz，风机将增加 0.5pu的有功功率输出，能更快地为系统提供功率支持，有效抑制频率下降的幅度，但可能会导致风机输出功率波动较大增加设备的应力和损耗。相反若下垂系数设置较小，如 =2，风机对频率变化的响应相对平缓输出功率波动较小，但在系统频率突变时提供的功率调节能力有限，调频效果可能不佳。

在应用中下垂控制策略还需要考虑与双馈风机其他控制功能的协调，当风机处于最大功率跟踪（MPPT）运行状态时需要在满足 MPPT 要求的前提下实现下垂控制，由于风速的随机性和波动性风机的可用功率会不断变化，要求下垂控制策略能够根据实时的风速和风机运行状态进行动态调整。当风速较低时风机的可用功率有限，下垂控制应避免过度调节导致风机失稳；当风速较高且风机输出功率接近额定值时也需要合理限制调频功率的输出，确保风机安全运行[3]。

（三）附加控制策略

附加控制策略的核心在于利用额外的控制信号来调整双馈风机的有功功率输出，常见的附加控制信号有频率偏差信号、频率变化率信号等。以频率偏差信号为例，当检测到系统频率出现偏差 时，附加控制器会根据预设的控制算法生成一个附加的功率参考值，这个参考值会与风机原有的功率参考值相加调整风机的有功功率输出。

频率变化率信号也常被用于附加控制策略中，当系统发生功率扰动时频率变化率 能快速反映系统的动态变化，附加控制器可以根据频率变化率的大小和方向提前调整风机的有功功率输出，当检测到频率变化率达到0.1Hz/s 时，控制器会立即产生一个0.2pu 的附加功率参考值，使风机迅速响应增强系统的惯性响应能力[4]。附加控制策略的实现依赖于精确的控制器设计和参数整定，控制器需要具备良好的动态响应特性和稳定性，能够在不同的工况下准确地生成附加控制信号，参数整定则需要综合考虑风机的运行特性、系统的频率特性以及电网的要求等因素。

不同控制策略下双馈风机运行性能指标对比表

四、结束语

为实现双馈风机高效、稳定地参与系统一次调频应综合考虑电网的实际需求、运行条件和经济成本等因素，选择合适的控制策略或进行策略组合，通过优化控制策略的参数设置和协调控制逻辑可以进一步提升双馈风机的调频能力和系统的频率稳定性。

参考文献：

[1]王长成,孟青叶,郭为民,等.基于GA-FC的双馈风机调频优化策略[J].上海电力大学学报,2024,40(02):129-134.

[2]刘刚,袁至,王维庆,等.基于混合储能的双馈风机的电网支撑能力提升策略[J].可再生能源,2022,40(10):1387-1395.

[3]朱当,黄云辉,刘士琦,等.弱电网下基于虚拟母线电压控制的双馈风机稳定性优化研究[J].智慧电力,2021,49(10):30-37+44.

[4]张雪娟,束洪春,孙士云,等.双馈风机参与系统调频对系统暂态功角稳定性的影响分析[J].电力系统保护与控制,2021,49(02):18-29.