基于分布式潮流控制器的海上风电系统谐波治理方法和控制策略

由于电力电缆的电容效应,海上风电经电缆汇集系统极易出现谐波谐振放大的现象,造成电能质量的下降。分布式潮流控制器属于基于电压源换流器的装置,在进行潮流调节的同时也能进行谐波治理。文中首先构建了海上风电系统的频域相关模型,基于该模型分析了谐波谐振放大的原因;随后,采用了将分布式潮流控制器串入海上风电系统的谐波治理方式,推导并得到了含分布式潮流控制器的海上风电系统的谐波特性。基于该谐波特性,设计了一种控制策略。该策略通过控制分布式潮流控制器实时跟踪使并网点谐波电压幅值为零的谐波补偿电压,从而降低并网点的谐波电压含量。仿真结果表明,所提出的基于分布式潮流控制器的海上风电系统谐波治理方法和控制策略能够有效地降低并网点的谐波电压,改善电能质量。

考虑气动阻尼影响的海上风电筒型基础整机运行状态振动模拟研究

运行状态下由叶轮旋转效应产生的气动阻尼对海上风电结构振动影响显著,然而当前的数值模拟方法受到计算能力与施加气动阻尼方式的限制,无法真实高效地表征气动力对振动的影响,使得模拟结果与实际工程存在偏差。针对上述问题,以某海上风电场内1台筒型基础整机为研究对象,考虑气动阻尼效应搭建了整机顺风向振动的简化理论模型,研究气动阻尼对运行状态下整机振动的折减效果,并以折减系数形式引入到数值模型计算中再与原型观测结果进行对比。研究表明:所建理论模型与数值模型的一阶自振频率与实测数据反馈值均相差较小,两类模型对实际工程的适用性良好;理论模型与数值模型同风速下的振动差值稳定,两者动力学上具有很好的同步性;停机工况与运行工况下,模拟塔筒顶部振动位移均方根值与原型观测均方根值平均误差分别为12.19%与7.99%,说明基于考虑气动阻尼效应的振动理论模型对数值模拟结果进行折减是可行的,模拟精度可以满足工程需求。

基于单级多电平开关变流的超大容量海上风电变流器

海上风机正向超大容量方向发展,基于较低电平数目变流技术的风电变流器在电压、容量等级的提升方面受到限制。提出了基于单级多电平开关变流的超大容量海上风电变流器方案,采用直流电压可大范围调节的宽直流电压模块化多电平变流器(MMC),在单级多电平变流器中实现DC/DC和DC/AC两级变换功能。基于风电变流器的单向功率传输特性,采用单向电流型宽直流电压MMC优化开关器件用量,并基于负电平利用优化调制比大幅降低MMC的子模块电容用量。所提出的方案不仅具有电压与容量等级高、功率损耗低、谐波含量低的优势,还能最大限度降低开关器件和电容的用量。与现有风电变流器方案进行对比,结果表明所提方案在经济性、运行性能等方面具有显著优势。通过仿真验证了所提方案拓扑结构和控制策略的可行性和有效性。

基于系统参数优化的对称双极海上风电送端联接变阀侧单相接地故障应力调控方法

为应对海上风电系统送端联接变阀侧单相接地故障引起的换流阀内过电压、过电流及风电场并网点电压跌落共存的问题,提出了一种基于系统参数优化的对称双极海上风电系统故障应力调控方法。首先,构建换流阀的数学模型与风电机组控制模型,通过电路分析揭示故障后换流阀过电压和过电流特性、风电场并网点电压跌落特性及其影响规律;其次,根据系统关键参数对故障后电压和电流的影响机制,提出一种基于系统参数优化的故障应力调控方案,即通过系统关键参数优化配置,实现过电压、过电流以及并网点电压跌落的综合调控,显著延长系统故障后换流阀的耐受时间和风电场不脱网运行时间;最后,通过对称双极海上风电经柔性直流系统仿真分析,验证了本文所提出方法对系统故障应力调控的有效性,为海上风电优化设计提供支撑。

海上风电低频输电系统快速母线保护

海上风电低频输电系统母线故障后,换流器型电源等效电势与阻抗因控制的切换与调整过程,不再像传统电网可视为恒定。文中理论分析了母线电流差动保护适应性,明确故障控制策略对差动保护灵敏度的影响方式。利用母线区内外故障所对应的故障等效模型不同,提出基于时域全量模型识别的母线保护。该保护原理反映被保护元件自身拓扑的变化,理论上具有不受电源特性影响的优势,同样适用于其他换流器型电网。同时,所提保护在时域中实现,不存在相量提取问题,动作速度快。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了仿真模型,验证了所提母线保护的可靠性和快速性。

考虑发用电相似性的海上风电中长期双边协商交易优化决策模型

海上风电是未来最有潜力的可再生能源之一,但其出力具有随机性和波动性。为了更好地促进海上风电的市场化消纳,文中基于海上风电商与负荷聚合商间的中长期双边协商交易构建了优化决策模型。首先,通过时间序列相似性评估方法,为目标海上风电寻找最优的用电负荷组合。其次,考虑需求响应备用容量配置和发用电曲线预测误差,构建了基于两阶段分布鲁棒优化的中长期交易优化决策模型,为海上风电配置适应其未来一段时间内出力特性的需求响应资源,并合理调整中长期交易曲线。最后,通过仿真算例验证了所提模型的有效性和实用性。

海上风电五连筒导管架基础及筒顶节点受力分析

以广东某深远海域大容量风电机组五连筒导管架基础为研究对象,采用有限元软件对五连筒基础在倾斜率、极限承载力和屈曲特性等方面开展深入研究,并对筒顶处导管架与基础连接节点进行多参数敏感性分析,从而得到受力及承载最优的结构体型。研究结果表明:满足相同容量机组荷载运行要求的前提下,五连筒基础与单筒基础结构相比,前者在倾斜率、承载力及抗屈曲特性上优势明显;随着筒顶节点的外移,筒型基础边筒竖向变形逐渐增大,中筒则相反;当筒顶节点靠近中筒时,主要由中筒受力,应力最大部位主要集中在边筒和中筒筒裙底部连接处;当筒顶节点向外偏移时,受力部位由中筒转移到边筒,且应力最大部位转移到沿加载方向的边筒筒裙顶部;基础的极限承载力均随导管架根部开度增加呈线性趋势增长,在水平及弯矩荷载分别作用下,旋转中心附近的被动土压力受筒顶节点位置影响较大,筒顶节点越往外偏移,被动土压力越小;旋转中心以下的主动土压力受筒顶节点位置影响同样较大,筒顶节点越往外偏移,主动土压力越大。

海上风电单柱复合筒型基础承载特性

文章针对一种新型海上风机基础型式的单柱复合筒型基础的承载特性,在砂土中进行了小比尺物理模型试验。试验中采用了位移控制的水平单调加载方式,选择加载速度与压载为变量,得到水平承载力荷载位移曲线。试验结果表明,基础极限承载力与加载速度和压载质量均呈正相关。得出了基础在加载过程中不同舱内孔隙水压力的变化规律。

软弱地基中海上风电大直径缩径单桩基础结构设计研究

基于真实设计参数和环境荷载,通过PLAXIS Monopile Designer和SACS软件实现某风场机位的缩径单桩优化设计,并进行结构极限强度、结构变形、自振频率和疲劳分析计算。相比于相同上部尺寸的常规单桩基础,缩径单桩具有较大的泥面转角和水平位移,较低的竖向位移和自振频率,计算结果验证了缩径单桩基础方案的可行性,并可实现节省10.9%的用钢量。

永磁直驱型风机海上风电送出系统不对称接地及甩负荷电磁暂态研究

为明确海上风电交流送出系统过电压的特征与水平,需考虑风电机组的故障穿越特性。该文结合永磁直驱风机变流器的控制原理,提出海上风电送出系统不对称接地过电压的解析计算方法。基于PSCAD对风电机组进行精确电磁暂态建模与故障电压穿越测试,以国内某500 kV大规模海上风电工程为背景,仿真计算送出系统不对称接地及甩负荷过电压。结果表明:系统不对称接地过电压大小与风机正负序控制策略有关;海缆电网侧甩负荷将产生持续百ms的1.3 pu以上的暂态过电压,风机过电压保护动作延时越长,暂态过电压越严重。实际海上风电工程计算需紧密联系风机控制保护策略及其参数,并综合关键设备耐压水平进行评估,通过风机控制策略优化可以降低系统过电压水平。

海上风电单柱复合筒型基础吸力沉放特性研究

单柱复合筒型基础作为一种新型海上风机基础结构,在中国海上风电抢装潮中得到了广泛的应用。针对单柱复合筒型基础在土体中的下沉特性,在室内进行了小比尺物理模型试验。试验中采用抽水负压下沉的方式,选取结构总重量作为主要变量,得出结构的下沉时程曲线,随着结构重量增加,结构下沉所需要的总时间减小,自重下沉阶段占比增加;总结了下沉过程中的结构倾角变化规律,入土瞬间倾角较大,自重下沉阶段结构的倾斜情况受土质均匀性的影响表现得比较复杂,仅通过抽水阀门的调节倾角难以恢复,负压调平效果明显;得出下沉过程中舱内孔隙水压力的变化规律,舱内孔隙水压力随下沉过程逐渐减小,自重下沉阶段孔隙水压力对土体扰动相对较小;土体中下沉渗流减阻效果十分明显,渗流方向为自舱外沿筒底部流向舱内。

漂浮式海上风电离网制氢联合仿真实验平台

海上风电制氢有助于解决海上风电消纳和远海输电难题,但目前的仿真缺乏海上环境对制氢影响的模拟,限制了相关研究与教学发展,因此亟需开发充分考虑海洋环境载荷的海上风电离网制氢仿真实验平台。该文将风机一体化仿真工具FAST和MATLAB/Simulink电力系统工具箱相结合,实现海上风机与发电机的联合仿真,在MATLAB内部通过设计接口实现电力系统与数学模型的两工具箱的联合仿真,以此构建两软件三工具箱联合的海上风电离网制氢一体化仿真实验平台。仿真结果表明,该平台能实现漂浮式海上风电离网制氢联合仿真,可为海上风电制氢有关研究和实验教学提供有力支撑。

计及高风速和低风速影响的海上风电机组两阶段滚动优化维护策略

针对复杂天气变化影响下海上风电机组维护决策问题,提出了考虑高风速与低风速影响的海上风电机组两阶段滚动优化机会维护策略。首先,提出考虑高风速冲击影响的维护役龄回退模型,量化实际部件退化与及维护成本关系。其次,建立了考虑低风速停机事件维护机会影响的海上风电机组长短期两阶段预防性机会维护模型,滚动更新长期预防性机会维护阈值。最后仿真结果表明,本文所提模型能够有效降低海上风电机组停机成本以及故障损失,提高机组寿命周期内的维护效益。

基于基频调制电流源换流器的海上风电送出系统的启动控制策略

基频调制电流源换流器(FFM-CSC)可以显著提高海上风电送出系统的功率密度和经济性,现有黑启动方法需要在交流侧投切黑启动电阻,但该方式会增大海上平台的建设成本。为此,提出一种利用FFM-CSC交流侧LC滤波器的启动方法,可以提高系统黑启动方案的经济性。分析了海上风电送出系统的结构和稳态控制策略。为了分析黑启动原理,建立了送端CSC交流侧空载时的数学模型,并提出了其交流侧等效的基波和谐波通路。在此基础上,提出了海上风电送出系统的黑启动控制策略。在PSCAD/EMTDC进行仿真验证,结果表明:所提黑启动策略可以在交流侧空载时建立起风电场电网电压,平稳完成海上风电场黑启动。

10 MW级海上风电新型浮式基础结构强度分析

针对应用于50 m水深海域的10 MW海上风力机,设计由三浮筒及三立柱组成的新型浮式基础,建立带有骨材结构的有限元分析模型。对于有关此新型浮式基础的设计波参数,一般选用随机性设计波的方法来确定,对波浪载荷工况下的整体结构。重点研究浮筒的骨材尺寸以及骨材间距对新型浮式基础强度的影响规律,并得到纵横骨材尺寸组合对新型浮式基础整体强度的影响规律。研究表明,新型浮式基础结构高应力区域位于3个浮筒连接处,浮筒板单元应力水平受骨材尺寸和骨材间距的共同影响,采用合适的尺寸间距组合可在应力水平相当的情况下显著降低用钢量。

基于风况预测误差自适应的海上风电场尾流偏转控制方法

风电场尾流偏转控制是降低尾流效应、提升整场发电量的重要手段。风况预测值是风电场尾流偏转控制的重要输入,其误差给实际控制效果带来巨大影响,甚至导致全场发电量“不增反降”,极大限制了风电场尾流偏转控制技术的工程应用。以某海上风电场实际运行数据为例,探索了分钟级风速和风向预测误差对风电场尾流偏转控制效果的影响,提出了风况预测误差自适应的海上风电场尾流偏转控制方法及基于深度神经网络的控制模型。研究结果表明:与不考虑风况预测误差自适应的传统风电场尾流偏转控制方法相比,所提方法的全场发电量提高了1.77%。

海上风电场区位分布的动态演进和影响因素研究

为应对能源安全和气候变化,培育新兴产业,我国大力发展海上风电产业。经过十余年发展,海上风电累计装机总量已跃居全球首位,但在这一过程中,风电场的区位分布表现出显著的时空异质性,即随着时间推移,其经历一个由江苏到福建、广东、山东等地动态演化的过程,研究不同阶段影响区位分布的主导因素及其变化,对政府制定有效政策以促进产业发展具有重要意义。根据国家发布的政策文件以及中国风能协会等公布的数据,本文划分了海上风电发展阶段,采用动态偏离-份额拓展模型来测度产业转移以揭示区位分布的演进;进一步将模糊集定性比较分析法与地理探测器模型结合,从动态的角度分析了产业发展各阶段区位分布的主导因素及其变化,并剖析了增长突出省区市的发展路径及其差异化。研究表明,发展初期,海上风电场区位分布受政府扶持力度和自然因素的影响较多,随着产业发展及技术进步,创新环境与专业人才逐渐成为关键因素,典型的发展路径有政策驱动型、水域-政策驱动型、风能驱动型、创新-知识型、知识-政策驱动型等。进一步加快人才培养、完善产业链条、优化扶持方式应成为推动产业健康持续发展的努力方向。

钢纤维对海上风电灌浆料及灌浆连接段模型性能的影响研究

开展了不同体积掺量的钢纤维对海上风电灌浆料以及小型灌浆连接段模型力学性能影响的研究。结果表明:当钢纤维掺量为1.0%时,能在保障灌浆料工作性和微膨胀性能的基础上,灌浆料的28 d抗折强度和抗压强度相较于未掺钢纤维时分别提高了65.4%和31.0%,且灌浆连接段模型的极限承载力和极限位移分别提高了12.0%和15.5%,有效提高了灌浆料的延性;灌浆连接段模型在轴心荷载作用下,主要受力和变形部位为内筒上部剪力键和外筒下部,在今后的灌浆连接段设计中,可对该部位进行适当加强,以便充分发挥灌浆连接段的整体性能。

海上风电中频汇集不控整流系统谐波抑制

目前,深远海上风电换流站采用不控整流器的直流送出方案极大地提高了送出系统的可靠性和经济性。然而,不控整流器会产生大量谐波进而降低风电汇集系统输电能力。针对上述问题,这里提出一种改进电压控制策略,即在风机网侧变换器传统控制策略基础上增加抑制谐波电流的附加控制环,实现对谐波电流的主动抑制。此外,这里分析了谐波电流对变压器和换流器的功率损耗,通过抑制谐波电流进而减小功率损耗,提高输电能力。最后,通过仿真计算和实验验证,证实了改进电压控制策略的正确性和有效性。

海上风电三筒导管架基础的湿拖耦合动力响应研究

[目的]为提高海上风电多筒导管架基础的湿拖运输安全性,需探究其湿拖运输过程的稳性和动态响应问题。[方法]基于海工分析软件MOSES构建水动力模型,对湿拖运输过程分别进行频域和时域分析,并定量分析波浪载荷、拖航方式等参数对三筒导管架基础拖航特性的影响。[结果]计算结果表明,三筒导管架具有良好的湿拖稳性,在吃水深度8~10 m范围内的正浮态均可满足完整稳性校核;三筒导管架基础的拖缆力、纵摇角、垂荡加速度、筒气压的幅值与波高呈正比关系,与吃水深度呈线性变化关系但影响较小;拖缆力和筒气压的幅值与波浪周期无明显关系,但波浪周期将影响该基础的纵摇和垂荡响应幅值;拖缆力与航速的平方近似呈正比关系;顺浪条件下三筒导管架基础的纵摇运动比逆浪条件更为剧烈。[结论]研究成果对于提高多筒导管架基础的湿拖运输安全性具有重要的指导意义。