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摘要：随着海上风电规模的扩大和电网结构的复杂化，调频控制方法需要不断优化和改进，以保证系统输出频率的稳定性。值得一提的是，本研究得到了上海市浦江人才计划资助，在此有力支持下，我们引进多元模态分解算法，以海上风电柔直并网系统为例，开展调频控制方法的设计研究。根据预设的模态数量，将信号并网系统的净负荷波动量分解为若干个具有最佳中心频率的本征模态函数，进行并网系统净负荷波动量多元模态的分解；利用分解后的分量，基于功率平衡，进行电网功率过剩量的计算；根据过剩量，结合系统的频率波动情况，计算所需的附加无功电流，通过对电流的分配，实现系统的PID调频控制。实验结果表明：设计的方法不仅可以提高并网系统有功功率输出占比，还能使系统运行中输出频率在最优范围内稳定波动。

关键词：多元模态分解；净负荷波动量；控制方法；调频；风电柔直并网系统；海上；

中图分类号：TP273  文献标识码：A

引言

随着全球资源环境约束的加剧，能源开采逐渐陷入瓶颈期[1-2]。其中，风力发电以其稳定成熟的技术和巨大的资源优势，在全球新能源发展规划中占据了重要地位。特别是在海上，由于风能资源的丰富性和稳定性，海上风电成为当前发展迅猛的清洁能源领域之一。

杨丽娜[3]等人通过引入改进型Smith预估计器，实现了对电网频率波动的有效预测和补偿，进而提高了电网的稳定性和响应速度。同时，该方法结合大数据技术，对电网运行数据进行实时监测和分析，为控制策略优化提供数据支持。由于光伏电网的复杂性和不确定性，改进型Smith预估计器的参数设置和模型构建仍面临一定挑战，该方法还需要进一步考虑与其他控制策略的协调配合，以实现更高效的电网控制。王俊月[4]等人融合了飞轮储能和锂电池储能的优势，通过自适应调整SOC，实现对电网频率波动的精准控制，有效提高了电网的频率稳定性。但自适应SOC的精确调控需要高精度的传感器和复杂的算法支持，增加了系统的复杂性和成本。此外，电池和飞轮储能的互补性在实际操作中受到多种因素的影响，导致调频效果较差。

为深化调频效果，提高系统的有功功率输出，本文引进多元模态分解算法，以海上风电柔直并网系统为例，开展调频控制方法的设计研究。值得一提的是，本研究得到了上海市浦江人才计划资助，在其支持下得以深入开展相关探索。

1并网系统净负荷波动量多元模态分解

在并网系统中，净负荷波动量的多元模态分解是提升调频控制精度的关键步骤，变分模态分解根据预设的模态数量，将信号并网系统的净负荷波动量分解为若干个具有最佳中心频率的本征模态函数[5]。此过程旨在最小化每个本征模态函数的估计带宽之和，从而确保分解结果的准确性和有效性。其对应的约束变分模型表示为下述公式。

公式中：表示并网系统净负荷波动量多元模态分解的约束变分模型；表示本征模态函数分量数量；表示第个分量；表示对应分量的中心频率；表示时间点；表示估计带宽总和；表示单位脉冲函数。在上述内容的基础上，将新能源出力和负荷叠加作为净负荷，将净负荷曲线分解为高频（<3min）、中高频（3～15min）、中频（15min～4h）以及低频（>4h）四种时间尺度的波动分量。净负荷曲线构建过程表示为下述公式。

公式中：表示净负荷曲线；表示频率划分方式，的取值在1～4之间，对应上述不同的时间尺度。完成上述设计后，从净负荷曲线中，将负荷时序与新能源出力进行叠加，得到不同时间尺度的波动分量。此过程计算公式如下所示。

公式中：表示多元模态分解后得到的波动分量；表示新能源出力。提取对应尺度下的高频和中高频分量，用于后续海上风电柔直并网系统调频控制，参照上述步骤，完成并网系统净负荷波动量多元模态分解。

2基于功率平衡的电网功率过剩计算

当风电场接入网络后，由于风电出力的不确定性和波动性，电网会出现功率失衡与频率稳定问题，针对此方面问题，利用分解后的分量，基于功率平衡，进行电网功率过剩的计算。在电网发生扰动后，通过快速准确地计算电网功率过剩量，为后续的调频控制和功率平衡调整提供支持。

在此过程中，通过实时监测电网运行状态，计算电网在某一时刻的初始功率缺额。计算公式如下。

公式中：表示初始功率缺额；表示发电机组输出功率。根据上述公式的计算结果，结合系统备用水平，按照下述公式，进行电网功率过剩量的计算。计算公式如下。

公式中：表示电网功率过剩量；表示净负荷波动量的最大值；表示功率波动分量对电网功率过剩量的贡献系数，根据系统备用水平、发电机组调节能力等因素设定。完成上述步骤后，得到电网功率过剩量的计算结果。此结果反映了电网在某一时刻的功率过剩情况，将其作为参照，制定相应的调频策略和功率平衡调整方案，以确保电网的稳定运行和高效利用。

3基于附加无功电流划分的系统PID调频控制

在海上风电柔直并网系统中，当风电场输电线路发生故障，导致电压波动和频率不稳定时，需要通过有效的调频控制维持系统的稳定运行。在此过程中，根据计算得到的，结合系统的频率波动情况，计算所需的附加无功电流，基于系统的无功功率需求和风电场风机的无功电流能力计算附加无功电流。公式如下。

公式中：表示附加无功电流；表示系统频率额定值；表示系统频率波动量；表示风机的无功电流限制值。在此基础上，利用PID控制器，根据风电场风机的无功电流限制值，将附加无功电流精准划分至各风机中。此过程如下计算公式所示。

公式中：表示风机的附加无功电流分配值；表示分配系数；表示风机数量；表示风机总数。PID控制器的输入为系统频率波动量，输出为调节后的附加无功电流指令。通过不断调整附加无功电流指令，实现对系统频率波动的有效抑制。此过程计算公式如下所示。

公式中：表示系统PID调频控制；、、表示PID调频控制系数。通过上述调频控制，可以实现对海上风电柔直并网系统频率波动的有效抑制，提高系统的稳定性和可靠性。同时，利用电网功率过剩计算结果进行附加无功电流的精准划分，可以进一步提高调频控制的精确度和效率。

4对比实验

4.1实验准备

选择某海上风电站作为本研究的试点，该电站装机采用先进的海上风电技术和设备，容量达到500MW，拥有60台风力发电机组，年发电量预计可达15亿kWh。该电站的建设不仅充分利用了丰富的海上风能资源，还通过优化设计和高效运维，实现了对电网的稳定供电。同时，该电站还注重环保和可持续发展，采用多项节能减排措施，对当地环境保护和经济发展起到了积极的推动作用。所选的试点并网系统架构如下图1所示。

为规范实验结果，对海上风电柔直并网系统的技术参数与规格进行分析，如下表1所示。

深入研究发现，现有的调频控制方法在应用后，并网系统的频率波动仍然较大，主要由于风速的不稳定性和电网负荷的快速变化导致的，严重影响了电力系统的稳定运行。此外，调频后并网系统的有功功率输出占比较少，主要由于调频过程中需要平衡系统的频率和电压稳定性，导致部分风电场输出功率受到限制。据统计，在某些调频过程中，风电场的有功功率输出可能仅占系统总需求的20%左右，降低了风电的利用率和并网效率。

现有不足不仅影响了电力系统的稳定运行，还可能导致风电资源的浪费和能源效率的降低。

4.2并网系统频率检验

并网系统频率的检验是确保其稳定运行的关键环节。一般情况下，并网系统的频率控制范围应被控制在49.5Hz～50.5Hz之间。引进文献[3]提出的基于改进型Smith的控制方法、文献[4]提出的基于自适应SOC的调频控制方法作为对比方法，应用三种方法，进行海上风电柔直并网系统调频控制。

进行频率检验时，使用专业频率测量设备，实时、准确地捕捉电网频率波动。通过对测量数据的分析，可以判断当前并网系统的频率是否处于规定的控制范围内。若频率偏离正常范围，则表示电网中存在某种异常情况，需要及时采取措施进行调整，以避免可能发生的故障或事故。

从上述图2可以看出，应用本文设计的方法，可以控制并网系统频率在49.5Hz～50.5Hz范围内，而应用文对比方法，均存在并网系统频率波动范围较大的问题。

4.3调频后并网系统有功功率输出占比检验

调频后并网系统有功功率输出占比的检验是评估电力系统稳定性和效率的关键，通常通过对比调频前后并网系统有功功率输出的数据进行。检验过程中，收集调频前并网系统的有功功率输出数据，作为基准值。在调频操作完成后，再次测量并网系统的有功功率输出，并与基准值进行对比。通过计算调频后有功功率输出占系统总需求的比例，直观地评估调频效果。

调频后并网系统有功功率输出占比越高，表示电力系统的稳定性和效率越高。主要是由于高比例的有功功率输出表明系统能够更好地满足负荷需求，减少功率缺额，从而降低电网频率波动的风险。同时，高比例的有功功率输出也表示风电等可再生能源的利用率更高，有助于提升整个电力系统的能效和可持续性。检验结果如下图3所示。

从上述图3可以看出，相比于对比方法，本文方法应用后，在相同的测试环境下，该并网系统的有功功率输出占比最高。

5结束语

调频控制是确保电力系统稳定运行的重要手段，通过调整系统的有功出力，可以保持电力系统的频率稳定。本项目有幸获得上海市浦江人才计划资助，这为我们的科研工作提供了重要助力。因此，本文引进多元模态分解算法，以海上风电柔直并网系统为例，通过并网系统净负荷波动量多元模态分解，完成此次设计。深入研究发现，本文方法应用了多元模态分解技术，处理并网系统净负荷波动量。多元模态分解能够更精细地识别和分析负荷波动的不同成分，从而为实现精确的频率控制和功率平衡提供了有力支持。通过此种方式，本文方法能够更有效地应对负荷波动带来的挑战，确保并网系统频率稳定控制在49.5Hz～50.5Hz的理想范围内。

参考文献

[1]宋新甫，王琛，李忠政，等.基于自适应连续禁忌搜索算法的风电混合储能系统调频控制[J].自动化与仪器仪表，2024，（10）：366-369+374.

[2]王岑峰，王蕾，孙飞飞，等.基于模糊逻辑控制的混合储能辅助风电调频的双层优化配置模型[J].高压电器，2024，60（10）：54-63.

[3]杨丽娜，马梅芳，薛高倩，等.基于改进型Smith预估计器与大数据的光伏电网调频逐步惯性控制方法[J].分布式能源，2024，9（05）：85-92.

[4]王俊月，杨騉，宋政湘，等.基于自适应SOC的电池-飞轮混合储能一次调频控制策略[J].电力工程技术，2024，43（05）：122-130.

[5]杨强，仲卫，谢善益，等.基于粒子群算法优化PID的海上风电柔直并网系统调频控制[J].自动化技术与应用，2024，43（08）：144-148.