A model predictive control strategy for wind turbine frequency support considering optimal frequency trajectory

LI Chen; LU Guorong; WANG Huaiyuan

doi:10.19585/j.zjdl.202607005

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A model predictive control strategy for wind turbine frequency support considering optimal frequency trajectory

New Energy | 更新时间：2026-07-22

- A model predictive control strategy for wind turbine frequency support considering optimal frequency trajectory
- ZHEJIANG ELECTRIC POWER Vol. 45, Issue 7, Pages: 48-59(2026)
- 作者机构：
  
  1.福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116
  2.国网青海省电力公司海北供电公司，青海海北 812200
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.19585/j.zjdl.202607005
  CLC：
- Received：03 November 2025，
  
  Revised：2026-01-28，
  
  Online First：22 July 2026，
  
  Published：25 July 2026
- 稿件说明：
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李晨,卢国荣,王怀远.考虑最优频率轨迹的风电机组频率支撑模型预测控制策略[J].浙江电力,2026,45(07):48-59.

LI Chen,LU Guorong,WANG Huaiyuan.A model predictive control strategy for wind turbine frequency support considering optimal frequency trajectory[J].ZHEJIANG ELECTRIC POWER,2026,45(07):48-59.
李晨,卢国荣,王怀远.考虑最优频率轨迹的风电机组频率支撑模型预测控制策略[J].浙江电力,2026,45(07):48-59. DOI： 10.19585/j.zjdl.202607005.

LI Chen,LU Guorong,WANG Huaiyuan.A model predictive control strategy for wind turbine frequency support considering optimal frequency trajectory[J].ZHEJIANG ELECTRIC POWER,2026,45(07):48-59. DOI： 10.19585/j.zjdl.202607005.

摘要

针对现有风电机组频率支撑控制策略存在的响应滞后、易引发频率二次跌落及能量管理粗放等问题，提出一种将最优频率轨迹引入MPC（模型预测控制）的改进型风电机组频率支撑策略。首先，基于系统频率响应模型构建以频率偏差为状态变量的预测方程，并引入扩张状态观测器实时估计电网有功功率扰动作为前馈补偿；其次，以预设的最优频率轨迹为跟踪目标，设计MPC滚动优化器，在满足风机转速与功率安全约束的条件下求解最优附加功率指令，并制定包含模式切换与平滑退出的完整控制逻辑；最后，通过含双馈风电机组的3机9节点和10机39节点系统的仿真算例表明，在一定扰动范围内，该策略可有效提升系统频率最低点，降低转子动能损耗，且能够减少传统机组调频压力，为高新能源渗透率电网的频率稳定提供了新的解决方案。

Abstract

Existing frequency support control strategies for wind turbines suffer from response delays， may trigger secondary frequency dips， and often involve coarse energy management. To address these issues， an improved frequency support strategy is proposed that incorporates an optimal frequency trajectory into model predictive control （MPC）. First， a prediction equation is established based on the system frequency response model， in which the frequency deviation is used as the state variable. An extended state observer is introduced to estimate grid active-power disturbances in real time and provide feedforward compensation. Second， using a predefined optimal frequency trajectory as the tracking target， an MPC rolling optimizer is designed to compute the optimal supplementary power command while satisfying safety constraints on turbine rotor speed and output power. A complete control logic incorporating mode switching and smooth exit is also developed. Finally， simulation studies on the 3-machine 9-bus and 10-machine 39-bus systems with doubly fed induction generator （DFIG） wind turbines demonstrate that， within a certain disturbance range， the proposed strategy can effectively raise the system frequency nadir， reduce rotor kinetic energy depletion， and alleviate the frequency regulation burden on conventional generators. The method provides a new solution for maintaining frequency stability in power systems with high penetration of renewable energy.

关键词

Keywords

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Bevrani H ， Ghosh A ， Ledwich G . Renewable energy sources and frequency regulation：survey and new perspectives ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2010 ， 4 （ 5 ）： 438 - 457 .

Ulbig A ， Borsche T S ， Andersson G . Impact of low rotational inertia on power system stability and operation ［J］. IFAC Proceedings Volumes ， 2014 ， 47 （ 3 ）： 7290 - 7297 .

鲁宗相，汤海雁，乔颖，等 . 电力电子接口对电力系统频率控制的影响综述［J］. 中国电力， 2018 ， 51 （ 1 ）： 51 - 58 .

Lu Zongxiang ， Tang Haiyan ， Qiao Ying ， et al . The impact of power electronics interfaces on power system frequency control：a review ［J］. Electric Power ， 2018 ， 51 （ 1 ）： 51 - 58 .

Morren J ， De Haan S W H ， Kling W L ， et al . Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2006 ， 21 （ 1 ）： 433 - 434 .

Lao Huanjing ， Zhang Li ， Zhao Tong ， et al . Innovated inertia control of DFIG with dynamic rotor speed Recovery ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2022 ， 8 （ 5 ）： 1417 - 1427 .

高晖胜，訾鹏，黄林彬，等 . 能量约束下电力电子并网装备的最优频率控制［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 17 ）： 9 - 18 .

Gao Huisheng ， Zi Peng ， Huang Linbin ， et al . Optimal frequency control of grid-connected power electronic devices with energy constraints ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 17 ）： 9 - 18 .

葛俊，刘辉，江浩，等 . 虚拟同步发电机并网运行适应性分析及探讨［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 9 ）： 26 - 35 .

Ge Jun ， Liu Hui ， Jiang Hao ， et al . Analysis and investigation on grid-connected operation adaptability of virtual synchronous generators ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 9 ）： 26 - 35 .

高思芮，余洋 . 基于反推控制的构网型变流器改进VSG控制方法［J］. 浙江电力， 2025 ， 44 （ 10 ）： 102 - 111 .

Gao Sirui ， Yu Yang . An improved VSG control method for GFM converters based on backstepping control ［J］. Zhejiang Electric Power ， 2025 ， 44 （ 10 ）： 102 - 111 .

刘辉，罗薇，苏懿，等 . 计及ROCOF与转子动能的风电机组自适应下垂控制策略［J］. 电力工程技术， 2023 ， 42 （ 6 ）： 161 - 169 .

Liu Hui ， Luo Wei ， Su Yi ， et al . Adaptive droop control strategy for wind turbines based on ROCOF and rotor kinetic energy ［J］. Jiangsu Electrical Engineering ， 2023 ， 42 （ 6 ）： 161 - 169 .

乔颖，郭晓茜，鲁宗相，等 . 考虑系统频率二次跌落的风电机组辅助调频参数确定方法［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 3 ）： 807 - 815 .

Qiao Ying ， Guo Xiaoqian ， Lu Zongxiang ， et al . Parameter setting of auxiliary frequency regulation of wind turbines considering secondary frequency drop ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 3 ）： 807 - 815 .

边晓燕，张菁娴，丁炀，等 . 基于DFIG虚拟惯量的微电网双维自适应动态频率优化控制［J］. 高电压技术， 2020 ， 46 （ 5 ）： 1476 - 1485 .

Bian Xiaoyan ， Zhang Jingxian ， Ding Yang ， et al . Double layer adaptive dynamic frequency optimization control of microgrid based on DFIG virtual inertia ［J］. High Voltage Engineering ， 2020 ， 46 （ 5 ）： 1476 - 1485 .

Sun K Y ， Zhou H Y ， Yao W ， et al . Two-level distributed consensus control of multiple wind farms for fast frequency support ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2025 ， 16 （ 1 ）： 530 - 545 .

颜湘武，崔森，宋子君，等 . 基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频策略［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 14 ）： 111 - 120 .

Yan Xiangwu ， Cui Sen ， Song Zijun ， et al . Inertia and primary frequency regulation strategy of doubly-fed wind turbine based on super- capacitor energy storage control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 14 ）： 111 - 120 .

陈长青，李欣然，谭庄熙 . 考虑风电不确定性的风储调频能力［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 6 ）： 2128 - 2139 .

Chen Changqing ， Li Xinran ， Tan Zhuangxi . Frequency modulation capability of wind storage considering wind power uncertainty ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 6 ）： 2128 - 2139 .

张宇博，杨松浩，郝治国 . 最大化电力系统频率最低点的并网风电机组频率支撑控制［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 8 ）： 141 - 151 .

Zhang Yubo ， Yang Songhao ， Hao Zhiguo . Frequency support control of grid-connected wind turbines to maximize frequency nadir of power systems ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 8 ）： 141 - 151

Jiang Y ， Cohn E ， Vorobev P ， et al . Storage-based frequency shaping control ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 5006 - 5019 .

Zhang Y B ， Hao Z G ， Yang S H ， et al . A system-view optimal additional active power control of wind turbines for grid frequency support ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2024 ， 39 （ 2 ）： 4323 - 4335 .

Sun B H ， Tang Y ， Ye L ， et al . A frequency control strategy considering large scale wind power cluster integration based on distributed model predictive control ［J］. Energies ， 2018 ， 11 （ 6 ）： 1600 .

Gulzar M M ， Sibtain D ， Khalid M . Cascaded fractional model predictive controller for load frequency control in multiarea hybrid renewable energy system with uncertainties ［J］. International Journal of Energy Research ， 2023 ， 2023 （ 1 ）： 5999997 .

周涛，张锋杨，徐妍，等 . 计及风力发电机转速安全约束的DFIG一次调频模型预测控制策略［J］. 南京理工大学学报（自然科学版）， 2024 ， 48 （ 2 ）： 155 - 164 .

Zhou Tao ， Zhang Fengyang ， Xu Yan ， et al . Model predictive control strategy of DFIG in primary frequency regulation considering wind-turbine speed safety constraints ［J］. Journal of Nanjing University of Science and Technology ， 2024 ， 48 （ 2 ）： 155 - 164 .

孙铭，徐飞，陈磊，等 . 利用转子动能的风机辅助频率控制最优策略［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 2 ）： 506 - 513 .

Sun Ming ， Xu Fei ， Chen Lei ， et al . Optimal auxiliary frequency control strategy of wind turbine generator utilizing rotor kinetic energy ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 506 - 513 .

中国电机工程学会 . 风电场一次调频性能测试技术规范：T/CSEE 0275—2021 ［S］. 北京：中国电力出版社， 2021 .

董昱，孙大雁，许丹，等 . 新型电力系统电力电量平衡的挑战、应对与展望［J］. 中国电机工程学报， 2025 ， 45 （ 6 ）： 2039 - 2056 .

Dong Yu ， Sun Dayan ， Xu Dan ， et al . Challenges，response and prospects for power balance in new power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2025 ， 45 （ 6 ）： 2039 - 2056 .

陈增强，孙明玮，杨瑞光 . 线性自抗扰控制器的稳定性研究［J］. 自动化学报， 2013 ， 39 （ 5 ）： 574 - 580 .

Chen Zengqiang ， Sun Mingwei ， Yang Ruiguang . On the stability of linear active disturbance rejection control ［J］. Acta Automatica Sinica ， 2013 ， 39 （ 5 ）： 574 - 580 .

Gao Z Q . Scaling and bandwidth-parameterization based controller tuning ［C］// Proceedings of the 2003 American Control Conference，2003 . June 4-6，2003 ， Denver，CO，USA.IEEE ， 2003 ： 4989 - 4996 .

Zhang H ， Li Y H ， Li Z X ， et al . Extended-state-observer based model predictive control of a hybrid modular DC transformer ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2022 ， 69 （ 2 ）： 1561 - 1572 .

Bizzarri F ， Del Giudice D ， Grillo S ， et al . Inertia estimation through covariance matrix ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2024 ， 39 （ 1 ）： 947 - 956 .

秦颖婕，李文博，伍双喜，等 . 利用本地频率线性分量的电力系统功率缺额估计方法［J］. 南方电网技术， 2023 ， 17 （ 8 ）： 96 - 103 .

Qin Yingjie ， Li Wenbo ， Wu Shuangxi ， et al . Power deficit estimation method of power system based on the linear component of local frequency ［J］. Southern Power System Technology ， 2023 ， 17 （ 8 ）： 96 - 103 .

Koutroulis E ， Kalaitzakis K . Design of a maximum power tracking system for wind-energy-conversion applications ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2006 ， 53 （ 2 ）： 486 - 494 .

Ullah N R ， Thiringer T ， Karlsson D . Temporary primary frequency control support by variable speed wind turbines：potential and applications ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2008 ， 23 （ 2 ）： 601 - 612 .

Zhang Y B ， Yang S H ， Hao Z G ， et al . Model-free fast frequency support of wind farms for tracking optimal frequency trajectory ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2024 ， 15 （ 4 ）： 2638 - 2650 .

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