Adaptive VSG-Based Coordinated Frequency Support Strategy for Grid-Following/Grid-Forming Hybrid Wind Farms

现代电网是一个供需平衡的微妙系统，一个多世纪以来一直依赖于煤炭和天然气发电厂中巨大的旋转涡轮机。这些沉重的机器充当了天然的缓冲器；即使在负荷突然变化时，它们的巨大重量和动量也能保持系统的频率稳定。随着世界向清洁能源转型，风力发电场正在取代这些传统的发电厂。然而，风力涡轮机并不具备同样的重型惯性。它们通过电子开关连接到电网，这意味着它们缺乏那种自然的物理缓冲。当加入大量的风力发电而没有足够的这种“旋转重量”时，电网就会变得脆弱。如果发生突发扰动，例如大型工厂停产或发电机故障，系统频率可能会下降过快，从而可能引发停电。

为了解决这个问题，工程师们开发了两种不同的方法，使风力涡轮机表现得更像传统的发电机。一种被称为“跟网型”（grid-following）的方法，让涡轮机监听电网并据此调整其输出，就像乘客跟随司机一样。另一种是“构网型”（grid-forming），它允许涡轮机扮演“驾驶员”的角色，设定自身的电压和频率来支持电网。虽然构网型涡轮机功能强大，但在某些条件下可能不稳定，而跟网型涡轮机在提供即时支持方面的效果较差。挑战在于如何让这两种不同类型的涡轮机无缝协作，特别是在风速变化以及电网面临突发冲击时。

上海海事大学和上海电力设备研究所的研究团队提出了一种新的策略来协调这些混合风电场。他们意识到，控制这些涡轮机的标准方式使用的是固定设置，这些设置不会根据扰动的严重程度或其他涡轮机提供的支持程度而改变。这种僵化可能导致跟网型涡轮机等待太久才提供帮助，或者在不需要时过度提供帮助，从而浪费能量并磨损设备。研究人员开发了一个系统，使涡轮机能够实时调整其行为，根据电网在特定时刻的具体需求来调整其内部的“刚度”和“阻尼”。

他们解决方案的核心是一种被称为“虚拟同步发电机”的控制方法。这种基于软件的方法通过“欺骗”风力涡轮机，使其表现得好像拥有传统发电机那样的重型旋转质量，从而能够抵抗频率的变化。在研究人员的新设计中，这种虚拟质量的强度和所提供的阻尼量并不是固定的数值。相反，它们会根据频率下降的速度和下降的幅度进行动态调整。如果频率开始迅速骤降，系统会立即增加其虚拟惯性以减缓下降速度。当系统开始恢复时，设置会发生转变，以帮助频率回归正常，而不会产生过冲或剧烈振荡。这种自适应方法确保了构网型涡轮机能在准确的时间提供恰当的支持。

研究人员还解决了两种类型涡轮机之间的一个特定协调问题。跟网型涡轮机通常有一个“死区”（deadband），即一个微小的频率波动范围，在此范围内它们不会采取行动，以避免对每一次微小的波动做出反应。在混合风电场中，如果构网型涡轮机已经提供了强有力的支持，那么跟网型涡轮机就不应该进行不必要的介入。然而，如果构网型涡轮机正处于挣扎状态，跟网型涡轮机就需要立即介入。该团队创建了一个动态死区，其宽度会根据构网型单元的实时性能而变化。如果构网型涡轮机表现良好，死区就会变宽，告诉跟网型涡轮机保持静默并节省其能量储备。如果构网型的支持减弱，死区就会变窄，信号指示跟网型涡轮机立即启动其支持。这创造了一种流动的、协作的关系，使两种类型的涡轮机表现得像一个单一的智能单元，而不是两个独立的群体。

为了测试这个想法，研究人员构建了一个详细的计算机模拟系统，其中包含两个传统发电机和一个包含40台跟网型涡轮机和20台构网型涡轮机的混合风电场。他们让这个虚拟系统在三种不同的风速（低、中、高）下承受突然的负荷扰动。在每种场景下，他们都将这种新的自适应策略与两种旧方法进行了对比：一种是涡轮机使用固定设置的方法，另一种是仅构网型涡轮机进行自适应而跟网型涡轮机保持静态的方法。

结果显示，自适应方法具有明显的优势。当发生大规模扰动时，使用新策略的系统维持了更高的最低频率，这意味着电网更接近其安全运行极限。在低风速场景下，使用旧的固定方法时频率降至49.8641 Hz，而新策略将其保持在49.8772 Hz。在高风速场景下，改进更为显著，频率保持在49.7326 Hz，而固定方法仅为49.7117 Hz。这些较高的最低频率至关重要，因为它们降低了系统触发紧急停机的风险。

除了保持更高的频率外，新策略还改善了涡轮机之间的负载分配。模拟显示，在需要时，构网型涡轮机会释放更多的储存动能，而跟网型涡轮机也能更有效地激活其支持。至关重要的是，动态死区防止了跟网型涡轮机在轻微波动期间过于频繁地激活。研究人员发现，这减少了涡轮机必须切换其功率输出的次数，这对于减少设备磨损至关重要。通过协调这两种类型的涡轮机，使其仅在必要时且按实际需求进行反应，该系统在保持电网稳定与保护风电场寿命之间实现了更好的平衡。

研究结论指出，这种自适应协调策略为整合高水平风电而不牺牲电网稳定性提供了一种切实可行的方法。通过允许虚拟惯性和激活阈值实时变化，混合风电场可以像传统发电厂一样，以同样的灵活性和韧性应对扰动。模拟表明，该方法不仅能防止频率降得过低，还能确保风电场的不同组件高效协作，为未来的可再生能源电网提供了一个稳健的解决方案。