中国是世界上最大的能源生产国和消费国。近年来，为了应对我国能源结构转型的战略要求，实现“碳达峰、碳中和”的能源发展目标，以风电为主的清洁能源正在飞速发展，并且逐渐取代了传统的化石能源，成为了我国能源结构中的重要组成部分。在我国部分地区，已经形成了高比例、大规模风电接入的电力系统。然而，由于大部分风电机组通过电力电子设备并网，因此无法向电力系统提供与传统同步发电机组类似的旋转惯量;此外，为了追求风能的最大化利用，风电机组一般运行在最大功率跟踪的状态，也没有为系统调频预留备用容量。由于上述两个原因，大规模风电接入电力系统并逐步取代传统电源，将导致电力系统的等效惯量降低，调频能力变差，对系统的频率稳定产生威胁。在这种背景下，研究如何使风电参与系统调频，对于维持电力系统的频率稳定具有重要意义。
　　不少研究指出，为了使风电具备参与系统调频的能力，可以通过改进风电的有功控制策略，改变风电在系统发生有功扰动后的有功出力，短时向系统中释放存储在风电机组转子及其传动机构中的旋转动能，以改善系统在有功扰动后的频率响应，这一过程即利用风电自身惯量参与系统调频的过程。为了提高风电对系统频率响应的改善效果，同时保证风电机组、风电场参与系统调频期间的稳定性和经济性，需要全面考虑风电惯量参与调频过程对系统频率响应的影响以及风电机组、风电场在调频过程中自身的动态变化，设计一种适用于未来大规模接入电力系统的风电惯量参与调频控制策略。本文在已有研究成果的基础上，首先分析了大规模风电接入的电力系统频率特性，并分析了风电不同形式的调频控制方式对系统频率特性的影响;其次，本文对风电机组退出调频引起的系统频率二次跌落问题、风电场在调频期间的转速过度下降以及风能损失等问题进行了深入研究，并结合理论分析、数学推导以及模型预测控制等方法，提出了分层次、多目标的风电惯量参与电网调频的控制框架。论文的主要工作和取得的创新性成果如下:
　　(1)针对风电退出调频引起的系统频率二次跌落问题，分析了退出时刻对系统频率二次跌落产生的影响，提出了风电调频合理退出时刻，显著改善了系统频率二次跌落的程度。首先，建立了能够描述风电参与调频过程中有功出力变化的数学模型;其次，基于经典的系统频率响应模型，推导了系统频率二次跌落程度与风电退出调频时刻之间的关系，并在此基础上，以最小化系统频率二次跌落幅度为目标，提出了风电调频最优退出时刻的计算方法;随后，考虑到最优退出时刻的求解依赖于数值方法，并且与风机运行工况、有功扰动幅度等因素相关，不利于工程应用，本文对风电参与调频过程的数学模型进行了简化，并依据此模型，将最优退出时刻简化为仅与系统频率响应特性相关的固定退出时刻;最后，本文研究了系统调频参数的获取方法以及风电调频功率的确定方法，并据此建立了固定退出时刻在风电场中的应用策略。固定退出时刻的提出，利用了同步发电机的机械功率在一次调频期间的超调特性，具有明确的物理意义，其在风电场中的应用也实现了风电机组与同步发电机组在一次调频期间的协同配合。
　　(2)为了应对在风电惯量参与调频过程中风电场内部分风机的转速过度下降以及由于风机偏离最大功率点造成的风电场风能损失等问题，提出了一种基于模型预测控制的风电场集中式惯量控制方法。首先，为了准确掌握风电场内不同工况下的风电机组在调频过程中的转速、机械功率等的动态变化情况，同时避免因直接采用风电机组的线性化模型进行计算而带来的误差，建立了适用于模型预测控制的风电场预测模型;在此基础上，将改善风电机组转速过度下降和风电场风能损失作为目标，形成了基于模型预测的优化控制问题;最后，提出了基于模型预测控制的风电场集中式惯量控制方法，通过收集风电机组的实时运行信息并在调频过程中滚动求解优化控制问题，协同各风电机组在调频过程中的有功出力，避免了部分风机在调频过程中转速过度下降的问题，并显著减小了由于风机偏离最大功率点而造成的风电场风能损失。因此，该方法提高了风电场运行的经济性，并且实现了风电场内不同风电机组之间的协同配合。
　　(3)针对大规模风电以多风电场集群的形式接入电力系统的情况，在前面两项研究的基础上，形成了分层次、多目标的多风电场分层惯量控制框架。该框架分为风电场集群控制层、风电场控制层和风机控制层。其中，风电场集群控制层将风电调频固定退出时刻及其应用策略拓展到多风电场接入电力系统的场景，并以改善系统频率响应为目标，通过求解线性规划问题确定系统对各风电场的调频功率需求;风电场控制层和风机控制层以风电场集中式惯量控制为基础，通过交替方向乘子法将集中式惯量控制的最优控制问题分解为子问题，以实现该问题在风机层面的分布式求解，改善了因风机数目庞大而造成的计算效率下降的问题。该框架通过对运行状态不同的风电场、风电机组分配不同的调频功率，分别实现了风电场、风电机组两个层面的协同配合，改善了系统频率和风电场运行的稳定性、经济性。