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2024年3月,IEEE Transactions on Power Systems期刊发表了一篇题为"Adaptive Frequency Droop Feedback Control-Based Power Tracking Operation of a DFIG for Temporary Frequency Regulation"的研究论文。该文创新性地提出了一种基于双馈风力发电机功率跟踪运行的自适应频率下垂反馈控制策略。该策略解耦了DFIGs输出功率-频率动态耦合相关性和整定灵活下垂增益反馈控制功率跟踪的自适应性，结合无需功率备用情况下利用DFIGs的转子部分可用动能，通过灵活调节控制系数作为参与DFIGs的调频参与度，避免风电机组的停机并消除在不同扰动、风电渗透率以及频率扰动类型下，频率调节的动态功率耦合问题。
构建以新能源为主体的新型电力系统是实现“碳达峰、碳中和”目标的重大举措。然而，随着以风电和光伏为代表的可再生能源并网渗透率逐步提高，未来电网“高比例新能源、高比例电力电子化”基本特征明显，新型电力系统将面临严重的电力不平衡、功率波动和受扰系统的频率稳定形态更加复杂多变等问题，一定程度上使得系统整体惯性响应及抗干扰能力下降，受扰后在不平衡功率冲击下将引发系统频率变化率和最大频率偏差增加，严重威胁了新型电力系统的频率安全稳定运行。
全面灵活挖掘双馈风力发电机（Doubly-Fed Induction Generators，DFIGs）调频潜力是解决上述问题有效手段。DFIGs通过灵活可控的电力电子变流器并网，节点功率特性取决于施加的控制策略，能够灵活调节系统频率变化，从而有效应对风电、光伏等可再生能源的间歇性、抗干扰能力差等问题，对提高电力系统新能源消纳，推进新型电力系统的构建有重要研究意义。
虽然DFIGs对电网调节有诸多优势，但其实际应用中仍面临诸多挑战，尤其是在实际工程需求的灵活控制策略方面。电网调频实际操作时，为充分发挥DFIGs的频率调节能力，既需要考虑调频能量来源，也需要考虑控制策略的灵活适用，考虑不周全的调频控制策略会在原有电网频率扰动的基础上而引入诸如噪声之类的干扰，影响电力系统的稳定性。同时，DFIGs调频控制策略中需要通过调节增益反映各机组的调频参与度，使得机组释放和吸收DFIGs的旋转动能，因此转子转速控制将暂时偏离最大功率点跟踪操作（Maximum Power Tracking Operation，MPTO），显然，控制增益对DFIGs动态频率支撑能力以及捕获的风能具有重要影响。
因此，如何在保证系统各机组运行稳定性的情况下，深挖DFIGs的调频能力，并降低电网频率变化率和频率偏差，是当前研究的重要课题。然而现有研究主要存在以下问题：
（1）现有的DFIGs转子转速控制通过添加在速度控制器中的辅助控制回路构成惯性控制时，采用频率变化率作为输入信号，以模拟同步发电机的惯性响应，有助于减少最大频率变化率，但会在电网频率微分测量中引入噪声干扰，使得电力系统的稳定性和抗扰性难以得到保障。
（2）转子转速控制通过固定增益使DFIGs暂时偏离最大功率点跟踪操作（Maximum Power Tracking Operation，MPTO），但是DFIGs频率调节能力在不同风速条件下差异性明显，固定控制增益不适用于当下源荷多不确定性、系统抗扰性差的条件，不适当的控制增益会导致DFIGs出现停机现象，影响系统运行的稳定性。
为解决上述问题和挑战，本文创新性地提出了一种基于双馈风力发电机功率跟踪运行的自适应频率下垂反馈控制策略，其主要的创新点总结如下：
（1）通过调整功率跟踪操作曲线，可以主动提供暂时频率响应支撑，并自适应于频率偏差及DFIGs的可用旋转动能。
（2）通过根据灵活频率下垂控制调整跟踪运行曲线的控制系数，能够避免动态耦合问题。
（3）所提出的自适应频率策略提供了更好的双重频率调节能力去兼顾系统机组运行的安全性，稳定性和抗扰性，并避免了DFIG的停机问题。
MPTO控制回路和频率调节控制回路的耦合动态特性将对频率调节的性能产生负面影响。为了避免这种现象，基于频率下垂控制的调频方法是在功率-速度控制器中引入用于跟踪功率运行的变系数来设计，而不是在MPPT控制模式中添加额外的频率下垂控制回路，用于频率调节的功率跟踪运行下垂增益和功率参考见下式
式中：kg_FR为跟踪功率运行的变系数；；kg为使PMPPT取到最大值的跟踪系数；∆fsys为系统频率偏差；RDFIG为设定的下垂控制系数；ωr为转子转速。
与（1）中一样，频率下垂控制是功率跟踪运行控制系数kg_FR的反馈。kg_FR可以根据∆fsys的变化增加或减少。这意味着双馈风力发电机将增加控制系数，运行曲线将移动到MPTO曲线的左侧，以响应欠频扰动（∆fsys<0）；并通过将运行曲线移动到MPTO曲线的右侧（∆fsys>0）来降低控制系数以响应超频扰动。因此，所提出控制策略对电网频率扰动具有自适应性。风能利用系数Cp的相应变化如图1所示。
图1 调频期间Cp的变化
如图2所示，当功率运行曲线移动到左侧以使风力发电机的转子减速时，Pref立即增加，然后DFIG将稳定在机械输入功率曲线上的新运行点，如图2中的点C所示。显然，转子速度的变化∆wr取决于∆fsys和RDFIG。如果KDFIG设置太大，则可能会更好地改善系统性能，但在较小的系统性能情况下，可能会导致大量的功率变化。此外，较大KDFIG可能导致DFIG释放过多的旋转动能，并进一步导致DFIG停机，特别是在低风速下，跟踪运行曲线不能稳定在机械曲线上。相反，如果KDFIG过小，则DFIG的频率调节能力不能满足系统要求，并且不能充分利用频率调节的潜力，特别是高风速区。
在本文中，考虑有效旋转动能，如（3）中那样确定RDFIG。第一个特点是RDFIG的倒数设为零，表示kg_FR等于kg，DFIG不能参与频率调节，避免DFIG停机。第二个特点是DFIG可以充分利用旋转动能，有助于提高频率调节能力。
式中：C是常数，重点是调节频率调节性能。
使用较大的C将增加DFIG输出功率的浪涌，从而减少电网的功率大幅变化，改善频率最低点。同时，更多的动能被提取到电网中。尽管如此，C的设置应小于基于稳定性分析计算的限值。在高风电渗透率的电力系统中，使用大的C会导致第二次频率下降。
图2 基于频率下垂反馈控制的功率-转速调节特性
根据（1）和（2），当DFIG参与频率调节时，DFIG的增量功率给定为：
式中：第一多项式和第二多项式分别表示由（1）的第二部分引起的PMPPT的变化和用于频率调节的功率变化。
经整理，定义参数：
式中：∆ωr=ωr-ω0为转速变化量。
重新整理（4），欠频和超频扰动的K可以表示为：
图2用于DFIG和TSG的频率调节的控制框图，其传递函数表示为：
式（6）中的K表示由（1）的第二部分引起频率调节的功率变化动态过程，K变化对系统稳定性的影响可以用来表征kg-FR变化对系统稳定性的影响。图3表示了使用不同K的根轨迹，其有六个根轨迹。随着K值的增大，两条轨迹均向右半平面移动。这意味着一旦K大于434.36，系统就变得不稳定。
图3 K的根轨迹变化
为了使DFIG提供更好的频率调节响应，应考虑两个原则来选择（3）中的C值。第一个是C的最大值应小于434.36，可根据系统分析计算得到。第二是确定最小C值，使频率下垂控制的控制增益不小于常规控制的控制增益。本文将最小值设定为能够实现频率调节的能量消耗的值。根据经验，C的最小设定值是变化的，它将随不同的风况和扰动而略有变化。当然，也有一些设置最小值的替代方法，但这超出了本文的范围。在未来的研究中，基于优化算法的各种功率跟踪运行的最优控制系数考虑了频率最低点、二次频率跌落、风力发电的不确定性等因素。
所提出的自适应频率调节策略的实施具有以下优点。（1）通过根据频率偏差和可用旋转动能移动跟踪运行曲线，可以提供快速双频响应，而无需测量风速和预设备用功率。（2）避免了传统频率调节的耦合动态。此外，所提出的小线性模型解耦频率调节方法可为系统频率模型提供准确的功率变化量，可有效用于小干扰分析和考虑动态频率响应特性的电力系统规划方法研究领域。（3）所提出的自适应频率策略提供了更好的调频能力，并避免了双馈风力发电机在欠频扰动条件下停机。
本文所提方法被用于基于改进的IEEE14节点系统，在不同扰动大小、扰动类型和风电渗透率下，研究了所提出风机调频性能。所得到的部分结果如下：
图4 系统频率
图5 有功功率输出
图6 转子转速
图7 跟踪运行控制增益
图8 系统频率
本文创新性地提出了一种基于双馈风力发电机功率跟踪运行的自适应频率下垂反馈控制策略。该策略解耦了DFIGs输出功率-频率动态耦合相关性和整定灵活下垂增益反馈控制功率跟踪的自适应性，结合无需功率备用情况下利用DFIGs的转子部分可用动能，通过灵活调节控制系数作为参与DFIGs的调频参与度，避免风电机组的停机并消除在不同扰动、风电渗透率以及频率扰动类型下，频率调节的动态功率耦合问题。
Dejian Yang , Xin Wang，Wei Chen，et al. “Adaptive Frequency Droop Feedback Control-Based Power Tracking Operation of a DFIG for Temporary Frequency Regulation”,IEEE Transactions on Power Systems, vol. 39, no. 2, pp. 2682-2692, March 2024.
杨德健：博士，讲师，硕士研究生导师，韩国WEGAT研究中心助理研究员。长期从事高比例可再生能源联网运行控制、储能技术应用等领域科研工作。主持、参与包括2024年“智能电网”重大专项、韩国NRF自然科学基金项目在内的国家级、省部级、国家重实验室开放基金、企业委托项目等10余项，以第一作者、通讯作者发表SCI/EI检索论文30余篇，授权国家发明专利7项，出版学术专著一本，获得2021年-2023年International Journal of Electrical Power & Energy Systems最佳论文奖励，ESI高被引一篇。电机工程学报、电工技术学报、电网技术、《IEEE Transactions on Power Systems》、《IEEE Transactions on Sustainable Energy》、《Renewable Energy》等国内外期刊审稿人。
王鑫：东北电力大学硕士，超高压输变电运检中心，国网承德供电公司。
陈玮：浙江大学博士，中电建华东勘测设计研究院与清华大学联合培养博士后。长期从事新能源并网控制、新型输变电系统设计等方面的研究与工作。参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省尖兵计划等课题多项。以第一作者身份发表SCI/EI论文10余篇，ESI高被引一篇。
金朝阳：博士，副教授，入选山东大学青年学者未来计划，担任IEEE PES电力系统保护控制技术委员会（中国）电力线路保护分委会常务理事。主要从事低惯量电力系统运行控制，新能源发电并网控制，电力系统状态估计等方面研究。承担和参与国家级、省部级项目等多项。以第一作者和通讯作者发表SCI、EI检索高水平期刊论文二十余篇，授权发明专利2项。
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，已为国家培养了24名博士、300余名硕士等高级专门人才，团队创始人穆钢教授为国家首批“万人计划”领军人才、中国电机工程学会会士、国家级教学名师，团队成员包括长江学者特聘教授严干贵、吉林省拔尖创新人才安军、杨茂等6名教授、副教授8名、讲师8名；博士研究生导师6人，硕士研究生导师18人，博士后1名，博士、硕士研究生90多名;团队重视对外交流合作，与英国帝国理工学院、伯明翰大学、卡迪夫大学共同承担了国家自然科学基金（国际（地方）合作与交流项目），团队成员分别在美国德州农工大学、弗吉尼亚理工大学、英国史翠克莱德大学、韩国全北大学、德国海德堡大学、日本山形大学等国外高校和科研机构留学与研修。团队获国家科技进步奖二等奖2项、省部级科技进步一等奖3项、省部级科技进步二等奖5项，主持\承担国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金-智能电网联合基金集成项目课题、国家973计划、863计划课题等国家级项目20余项，发表SCI/EI期刊论文300余篇；获授权发明专利33项，软件著作权10项。
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