第4.1节 一次调频功能设计与参数整定

4.1.1 引言：构网型变流器在频率稳定中的核心作用

在新型电力系统中，同步电源比例的下降直接导致了系统总惯量的降低与一次调频容量的缩减，使得电网在发生功率扰动时，频率变化的速率（RoCoF）更快，频率偏移的幅度更深，系统频率稳定性面临严峻挑战。构网型变流器作为具备自主同步与主动支撑能力的核心装备，其内嵌的一次调频功能正是应对此挑战的关键技术手段。一次调频功能使构网型变流器能够模拟同步发电机的调速器特性，实时响应系统频率的偏差，通过快速调整其有功功率输出来抑制频率波动，为系统提供至关重要的有功功率支撑。

一次调频功能的设计与参数整定，直接决定了构网型变流器频率支撑的动态响应速度、稳态精度及与电网的协调能力。它不仅需要满足《构网型变流器通用技术规范》中对调差系数、死区、响应时间等指标的硬性要求，更需在复杂的电网环境下（尤其是弱电网）确保控制环路的稳定性。本节将系统性地阐述一次调频（主要为下垂控制）的工作原理，深入分析其小信号模型与参数设计理论，并结合工程实践中的关键问题，提供一套完整的设计与整定方法论。

4.1.2 一次调频基础：下垂控制原理与实现

下垂控制是构网型变流器实现一次调频最经典且应用最广泛的方法。其核心思想是模拟同步发电机的有功-频率静态特性，建立变流器输出有功功率（PPP）与系统频率（fff）或变流器内电势频率（fvsmf_{vsm}fvsm​）之间的线性负反馈关系。

4.1.2.1 基本下垂方程

有功-频率下垂特性可以用以下方程描述：

f=f0−mp(P−Pref) f = f_0 - m_p (P - P_{ref})f=f0​−mp​(P−Pref​)

或者更常见地，表达为基于变流器自身频率的形式：

fvsm=f0−mp(Pe−Pref) f_{vsm} = f_0 - m_p (P_{e} - P_{ref})fvsm​=f0​−mp​(Pe​−Pref​)

其中：

• fvsmf_{vsm}fvsm​为构网型变流器（如虚拟同步机）的内部控制频率（单位：Hz）。
• f0f_0f0​为额定频率（通常为50 Hz）。
• PeP_ePe​为变流器实时测量的输出有功功率（单位：pu 或 W）。
• PrefP_{ref}Pref​为有功功率参考值（单位：pu 或 W）。
• mpm_pmp​为有功-频率下垂系数（单位：Hz/ pu 或 Hz/W）。

下垂系数mpm_pmp​定义了频率每偏离额定值1单位，有功功率应调节的量。其倒数R=1/mpR = 1 / m_pR=1/mp​通常称为调差系数，表示有功功率从0变化到额定值PNP_NPN​时，所对应的频率静态偏差。下垂系数的物理意义可通过下图清晰地展现，它建立了功率-频率的静态映射关系。

为提升控制精度和避免频繁动作，实际工程中会在下垂环节引入频率死区Δfdb\Delta f_{db}Δfdb​。其修正后的方程为：

fvsm=f0−mp⋅satPmaxPmin(Pe−Pref),当∣fgrid−f0∣>Δfdb f_{vsm} = f_0 - m_p \cdot \text{sat}_{P_{max}}^{P_{min}} (P_e - P_{ref}), \quad \text{当} |f_{grid} - f_0| > \Delta f_{db}fvsm​=f0​−mp​</