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面向网源协调的风力机变桨策略深度设计与实验验证研究

一、绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

在全球积极推动能源转型与可持续发展的大背景下，风能作为一种清洁、可再生的能源，在电力供应领域占据着愈发重要的地位。近年来，风电产业发展迅猛，装机规模持续攀升。据相关数据显示，我国2024年全国（除港、澳、台地区外）新增风电装机14388台，容量达到8699万千瓦，陆上风电新增装机容量8137万千瓦，占全部新增装机容量的93.5%，海上风电新增装机容量561.9万千瓦，占全部新增装机容量的6.5%。风电凭借其资源丰富、分布广泛等优势，成为许多国家和地区实现能源结构优化和减排目标的关键选择。

然而，随着风电大规模接入电网，一系列问题逐渐凸显，其中网源协调问题尤为突出。电力系统的稳定运行依赖于电源与电网之间的紧密配合与协调，风电的间歇性、波动性和随机性特点，使其与传统同步发电机在运行特性上存在显著差异，给电力系统的频率稳定、电压稳定以及功角稳定带来了严峻挑战。当电网发生故障或受到扰动时，如果风电不能与电网进行有效协调，可能导致系统频率大幅波动、电压失稳甚至大面积停电事故的发生。例如，2016年南澳“9.28”大停电事故中，由于地区风电机组连续多次低电压穿越失败导致风机大量脱网，联络线潮流增加而后跳闸使得南澳地区形成孤网并最终崩溃垮网；2019年英国“8.9”大停电事故中，风电机组耐低频能力不足，导致大量风机脱网，进一步引起频率降低，最终在低频减载切除大量负荷后频率才得以恢复。这些事故充分表明了网源协调对于电力系统安全稳定运行的重要性。

风力机变桨控制作为风电机组实现高效稳定运行以及参与网源协调的关键技术手段，具有至关重要的作用。变桨系统能够根据风速、风向以及电网运行状态等信息，实时调整风机叶片的桨距角，从而实现对风电机组捕获风能的精确控制。在不同的运行工况下，变桨控制有着不同的功能。在正常运行时，它可使风电机组保持在最佳的风能利用状态，提高发电效率；在电网发生扰动或故障时，能够迅速响应，通过调整桨距角改变风机的出力，为电网提供必要的支撑，协助电网恢复稳定运行。因此，深入研究适用于网源协调控制的风力机变桨策略，对于提升风电在电力系统中的接纳能力，保障电网的安全稳定运行，具有十分重要的现实意义和紧迫性。

1.1.2研究意义

提升风电接纳能力：通过优化风力机变桨策略，能够使风电机组更好地适应电网的变化需求，有效减少风电的间歇性和波动性对电网的影响。当电网负荷发生变化时，变桨系统可以根据电网指令快速调整风机出力，实现风电与电网负荷的动态平衡，从而提高电网对风电的消纳能力，促进风电的大规模开发和利用，推动能源结构向清洁化、低碳化转型。

保障电网稳定运行：合理的变桨策略能够增强风电机组在电网扰动时的响应能力，为电网提供频率和电压支撑。在电网频率波动时，变桨系统可以通过调整桨距角改变风机的转速和出力，参与电网的一次调频和二次调频过程，抑制频率偏差的进一步扩大；在电网电压出现异常时，能够及时调整无功功率输出，维持电压的稳定，防止电压失稳事故的发生，确保电力系统的安全可靠运行，减少停电事故对社会经济造成的损失。

提高风电机组运行效率和可靠性：先进的变桨控制策略不仅有助于实现网源协调，还能使风电机组在各种复杂工况下保持良好的运行状态，提高风能转换效率，降低机组的疲劳载荷和故障率，延长机组的使用寿命，减少维护成本，提高风电场的经济效益和运营管理水平。

促进风电技术发展：对适用于网源协调控制的风力机变桨策略的研究，能够推动相关领域的技术创新和理论发展，为风电行业的可持续发展提供技术支持和理论依据。通过探索新的控制算法和技术手段，可以不断完善变桨系统的性能，提升风电机组的智能化水平，促进风电技术与其他领域的交叉融合，推动整个风电产业向更高水平迈进。

1.2研究现状

1.2.1风力机变桨控制进展

风力机变桨控制技术经历了从简单到复杂、从传统控制策略到现代智能控制策略的发展历程。早期的风力机变桨控制主要采用比例-积分-微分（PID）控制算法，这种算法结构简单、易于实现，通过对桨距角的比例、积分和微分运算来调整控制量，以维持风电机组的稳定运行。在低风速段，通过调整桨距角使叶片保持最佳的迎风角度，尽可能多地捕获风能；在高风速段，增大桨距角，减小叶片对风能的捕获，防止机组过载。然而，PID控制依赖于精确的系统模型，对参数变化和外界干扰较为敏感，在复杂多变的风况下，难以实现对风电机组的精准控制。

随着风力发电技术的不断发展和对控制性能要求的提高，自适应控制、滑膜控制等现代控制策略逐渐应用于风力机变桨控制中。自适应控制能够根据系统运行状态的变化，实时调整控制器的参数，以适应不同的风况和运行条件。例如，模型参考自