Model-Free Fast Frequency Support of Wind Farms for Tracking Optimal Frequency Trajectory

📄 arXiv: 2604.01945v1 📥 PDF

作者: Yubo Zhang, Songhao Yang, Zhiguo Hao, Baohui Zhang

分类: eess.SY

发布日期: 2026-04-02

💡 一句话要点

提出一种无需同步发电机模型的风电场快速频率支持方法，用于跟踪最优频率轨迹。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 风电场 快速频率支持 频率轨迹优化 比例-积分控制 无模型控制

📋 核心要点

  1. 现有的基于频率轨迹优化的快速频率支持方法依赖于精确的同步发电机模型，这增加了控制器实现的难度。
  2. 本文设计了一种基于PI控制器的风电场快速频率支持方法，用于跟踪最优频率轨迹，无需依赖同步发电机的调速器模型。
  3. 在单风电场和多风电场系统中验证了所提方法的有效性，表明该方法能够有效跟踪最优频率轨迹。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于比例-积分(PI)控制的风电场快速频率支持(FFS)方法，用于跟踪最优频率轨迹，该方法摆脱了对同步发电机(SG)精确调速器动态模型的依赖。首先，提出了基于PI控制的风电场原型FFS，并分析论证了其跟踪最优频率轨迹的可行性。然后，基于最优频率轨迹的“频率-频率变化率(RoCoF)”形式，构建了一个更实用的PI控制器，避免了原型PI控制器的时间依赖性。此外，设计了一种与PI参数相关的自适应增益，用于多风电场协调。最后，在单风电场系统和多风电场系统中验证了所提方法的有效性。

🔬 方法详解

问题定义：现有基于频率轨迹优化的风电场快速频率支持(FFS)方法，需要精确的同步发电机调速器动态模型。然而，获取精确的调速器模型通常很困难，这限制了该类方法在实际电力系统中的应用。因此，需要设计一种无需依赖同步发电机模型的FFS方法。

核心思路：本文的核心思路是设计一种基于比例-积分(PI)控制器的FFS方法，直接跟踪最优频率轨迹，而无需依赖同步发电机的调速器模型。通过将最优频率轨迹表示为“频率-频率变化率(RoCoF)”的形式，可以构建一个更实用的PI控制器，避免对时间的显式依赖。

技术框架：该方法主要包含以下几个步骤：1) 推导基于PI控制器的风电场原型FFS；2) 分析原型FFS跟踪最优频率轨迹的可行性；3) 基于“频率-RoCoF”形式的最优频率轨迹，构建实用的PI控制器；4) 设计自适应增益，用于多风电场协调；5) 在单风电场和多风电场系统中进行仿真验证。

关键创新：该方法最重要的创新点在于提出了一种无需同步发电机模型的风电场FFS方法。与现有方法相比，该方法摆脱了对精确调速器模型的依赖，降低了控制器实现的难度，更易于在实际电力系统中应用。此外，基于“频率-RoCoF”形式的最优频率轨迹，构建了实用的PI控制器，避免了对时间的显式依赖。

关键设计：该方法的关键设计包括：1) PI控制器的参数整定，需要根据具体的电力系统参数进行调整，以保证系统的稳定性和快速性；2) 自适应增益的设计，需要考虑多个风电场的协调控制，以避免风电场之间的相互干扰；3) 最优频率轨迹的选取，需要根据电力系统的具体运行情况进行优化，以保证系统的频率稳定。

📊 实验亮点

在单风电场和多风电场系统中的仿真结果表明，所提出的基于PI控制器的FFS方法能够有效跟踪最优频率轨迹，并提高电力系统的频率稳定性。该方法无需依赖同步发电机的调速器模型，降低了控制器实现的难度，更易于在实际电力系统中应用。具体性能提升数据未知。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于提高电力系统的频率稳定性，特别是在高比例可再生能源接入的电力系统中。通过风电场的快速频率支持，可以有效抑制频率偏差，减少对传统同步发电机的依赖，提高电力系统的安全性和可靠性。该方法还可以应用于微电网和孤岛电力系统，提高其频率稳定性。

📄 摘要（原文）

The fast frequency support (FFS) towards frequency trajectory optimization provides a system view for the frequency regulation of wind farms (WFs). However, the existing frequency trajectory optimization-based FFS generally relies on the accurate governor dynamics model of synchronous generators (SGs), which aggrandizes the difficulty of controller implementation. In this paper, a proportional-integral (PI) based FFS of WFs is designed for tracking the optimal frequency trajectory, which gets rid of the dependence on the governor model. Firstly, the prototypical PI-based FFS of WFs is proposed and its feasibility for tracking the optimal frequency trajectory is analyzed and demonstrated. Then, based on the "frequency-RoCoF" form of the optimal frequency trajectory, a more practical PI controller is constructed, avoiding the time dependence of the prototypical PI controller. Besides, an adaptive gain associated with PI parameters is designed for multi-WF coordination. Finally, the validity of the proposed method is verified in both the single-WF system and the multi-WF system.