A novel dynamic equivalence method for grid-connected wind farm

Dynamic equivalence of the wind farm is a fundamental problem in the simulation of a power system connected with wind farms because it is unpractical to model every generator in a wind farm in detail. In this paper, an Equivalence Method based on the Output Characteristics (EMOC) is proposed, with which the wind farm composed of Squirrel-Cage Induction Generators (SCIGs) can be equivalent to one generator. By considering the diversity of wind generators and special operating characteristics of a wind farm, the equivalent generator based on EMOC responds accurately in various faults. No matter whether the wind farm is integrated in grid or just programmed, EMOC can be used to acquire an accurate equivalent generator. Simulation of the dynamic equivalence of an SCIG wind farm validated the method.

Small Signal Stability Analysis with Penetration of Grid-connected Wind Farm of PMSG Type

The impacts of large-scale grid-connected wind farm on direct-driven permanent magnet synchronous generator(PMSG)type are discussed on the small signal stability performances of power systems.Firstly,a simplified practical model of wind farm of PMSG type is derived for analyzing small signal stability.The rotor-fluxoriented control strategy is applied to the modelling of PMSG.Secondly,the framework of small signal stability analysis incorporating wind farm of PMSG type is built.Finally,the different simulation scenarios based on the IEEE 3-generator-9-bus test system as benchmark are designed to conduct the eigenvalue analysis and to assess the impacts of wind farm of PMSG type on power system small signal stability.Some conclusions are drawn with simulation results.

High-Resolution Micro-Siting Technique for Large Scale Wind Farm Outside of Japan Using LES Turbulence Model

The spatial distribution of wind speed varies greatly over steep complex terrain, thus the selection of an optimal site in such terrain for wind turbine construction requires great care. We have developed a numerical model for simulating unsteady flows called RIAM-COMPACT (Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, COM putational Prediction of Airflow over Complex Terrain), which is based on the LES (Large-Eddy Simulation) technique. The computational domain of RIAM-COMPACT can be varied from several meters to several kilometers, and the model is able to predict airflow over complex terrain with high accuracy. The present paper discusses the application of RIAM-COMPACT to the micro-siting of wind turbines at sites outside Japan. The results from two case studies will be presented.

Two-stage ADMM-based distributed optimal reactive power control method for wind farms considering wake effects

Since the connection of small-scale wind farms to distribution networks,power grid voltage stability has been reduced with increasing wind penetration in recent years,owing to the variable reactive power consumption of wind generators.In this study,a two-stage reactive power optimization method based on the alternating direction method of multipliers(ADMM)algorithm is proposed for achieving optimal reactive power dispatch in wind farm-integrated distribution systems.Unlike existing optimal reactive power control methods,the proposed method enables distributed reactive power flow optimization with a two-stage optimization structure.Furthermore,under the partition concept,the consensus protocol is not needed to solve the optimization problems.In this method,the influence of the wake effect of each wind turbine is also considered in the control design.Simulation results for a mid-voltage distribution system based on MATLAB verified the effectiveness of the proposed method.

Economic Assessment of Large Grid-connected Wind Farms——Avoided Cost Method

mong the many forms of renewable energy generation, wind power is the most mature. However, the method used to assess the economic value of large grid connected wind farms still needs further study. At present the traditional method of project economic assessment as widely used in China isolates the wind farm from the whole power system and ignores the influence of reliability on the cost of wind generation; therefore, the evaluation results can not reflect the true economic value of wind power generation. After reviewing the many assessment methods used at home and abroad, this paper uses the Avoided Cost Method as theoretical basis to establish an economic evaluation model for large wind farms including the characteristics of other conventional forms of power generation like thermal power as well as the system load. The generating reliability is also combined into the economic evaluation. The model is used to evaluate China's largest wind farm, Dabancheng Wind Farm in Xinjiang.

Providing Frequency Support of Hydro-Pumped Storage to Taiwan Power System with Wind Power Integration

The combination of wind and pumped storage is a useful method to compensate the fluctuation of wind power generation, which would exploit the abundant wind potential and increase wind power penetration. Taiwan Power Company (TPC) develops renewable energy actively in recent years. Moreover, TPC has started planning a high penetration wind power system and building offshore wind farms around the coast of Zhangbin, Yunlin and Penghu. The target of the offshore wind power installed capacity is up to 3 GW by 2025. However, the integration of the large scale of wind power would give huge challenges to the system operator because wind is randomly characterized. In this study, after high penetration wind power is integrated, the impacts of system frequency and the dispatch of conventional units will be discussed. Additionally, the hybrid system combing wind power with pumped-storage will be planning to reduce the effect of system frequency.

基于等效粗糙度模型的风电场尾流数值模拟方法

随着风电场规模的扩大和密度的增加,风电场整场的尾流效应也日益显著且备受关注。准确评估风电场尾流效应对于风电场的建设和开发具有重要的意义,但目前仍缺乏同时兼顾计算精度和效率的尾流计算方法。本文基于OpenFOAM平台中的雷诺时均方法,实现了风电场等效粗糙度模型和雷诺平均方法的嵌套。结果表明,该方法相较于工程中常用的Jensen尾流模型和尾流叠加模型,计算精度得到了大幅的提高,且因为其对于风电场建模简单,所需计算资源较少,是用在大型风电场的一种工程应用价值较高的下游尾流计算方法。

考虑大气稳定度的风电场等效粗糙度模型研究

目前模型未充分考虑大气稳定度的影响,针对该问题,在不同大气稳定度下,通过建立风电场边界层的动量平衡关系和揭示风电场的流动不均匀性,提出一种适用于不同大气稳定度的风电场等效粗糙度模型。采用大涡模拟方法对所提模型进行验证,结果显示该方法能有效评估大气稳定度对风电场流动不均匀性以及等效粗糙度的影响,所得等效粗糙度平均误差约10%。

基于各项异性多项式分布的风力机三维尾流模型

针对风切变效应及风切变与均匀流的风速差产生的质量亏损,本文提出了一种更先进的三维尾流模型,不同于以往高斯模型,该模型假设速度分布为多项式形状,采用了更加直观的物理尾流边界。此外,考虑到尾流边界的各向异性膨胀,给出了横向和垂向尾流边界扩展率的表达式,这使得该模型仅根据入流风条件及风力机参数即可确定2个方向上的扩展率。通过陆上(I0=13.4%, 9.4%)和海上(I0=6.9%, 4.8%)风况的大涡模拟数据对本文模型的预测精度进行验证研究。与传统模型相比,本文模型能够更好地预测风力机的垂向和横向的尾流分布,最大和最小误差均最小。

Fitch风电场参数化方案入流风速的校正及效果检验

风电场的尾流会影响大气边界层的动量和湍流通量,进而影响局地气候和环境。包含风电场参数化的中尺度数值模式是研究风电场对气候和环境影响的有力工具。本研究将高分辨率的大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)结果作为“真值”,评估了WRF中尺度模式中的Fitch风电场参数化方案在风机区和尾流区的风速和湍流动能廓线,提出了校正网格入流风速的方法。该方法考虑网格等效推力造成的阻塞效应,并利用经典动量理论推导出的关系式对网格入流风速进行订正,使其更接近自由入流风速。结果显示,原始Fitch风电场参数化方案给出的网格入流风速和大涡模拟结果的差距明显,且受模式水平分辨率的影响较大。在不同的水平分辨率下(1000 m、 500 m和250 m),校正了网格入流风速的Fitch-new风电场参数化方案给出的网格入流风速与自由入流风速的相对误差绝对值都<1%,得到的空间平均推力和输出功率与大涡模拟结果一致。Fitch-new参数化方案改进了风电场尾流区风速亏损的模拟,尤其是对高分辨率下风机网格的风速亏损,模拟的风电场尾流区湍流动能的增加量和垂直分布虽然比原始Fitch方案有所改进,但仍存在一定问题,需进一步研究。

基于模型数据混合驱动的大规模双馈风电场并网数字孪生建模

当前双馈风机详细模型具有多时间尺度动态和复杂控制环节,导致建模困难、大规模双馈风电场并网详细仿真建模所需算力庞大的问题。实际风机并网外特性无法实时反馈到仿真系统中,同时风电场功率输出受到多方面如风速、风向、老化等影响,使仿真系统无法精确拟合真实电力系统。针对这一问题,该文构建大规模数字孪生双馈风电场并网的电力系统模数混合驱动模型,实现了风机与电网互动反馈的实时更新,降低了算力需求,同时与风机物理实体实时匹配的虚拟模型具备较高的输出精度,满足精细化仿真需求。文中每台双馈风机采用长短期记忆网络构建数据驱动模型,风电场架构及所并电网选取常用的物理仿真模型,以数字孪生技术实现风机物理模型维护、虚拟数据模型更新的双向反馈。算例通过真实量测数据测试,结果表明在不同工况下该双馈风电场并网数字孪生模型较传统模型具备更优秀的拟合能力与精准度,同时实现了虚拟模型的实时更新能力。该模型有助于在大规模风电场并网中探寻具体某台风机故障、控制方式变化、风速波动等情况,研究风机之间相互影响、电网出现扰动时对风电场的影响。

大模型辅助的大型海上风电场集电系统拓扑优化

集电系统拓扑优化是大型海上风电场规划建设的核心问题,本质上是一个涉及多约束、多目标的复杂混合整数优化问题。针对该问题,提出了一种基于大语言模型(large language model,LLM)辅助的大型海上风电场集电系统拓扑优化方法。首先,基于大语言模型辅助对风电机组群进行聚类,通过链式提示法使LLM理解优化目标,并利用LLM将大型海上风电场分割为若干小型区域,以降低优化问题维度,提升求解速度和质量。然后,构建集电系统拓扑优化模型,基于混合整数线性规划求解器,获得海上风电场的最优集电系统拓扑设计方案。最后,利用1个含有75台风电机组的大型海上风电场系统进行方法性能验证,仿真结果表明:与传统优化技术相比,所提方法获得的聚类风机数量更加均衡,在考虑拓扑功率损耗的同时,生成的拓扑方案经济性最优。LLM在集电系统拓扑辅助优化中具有较高的有效性,为海上风电场集电系统拓扑设计优化提供了一种新思路。

基于电压迭代的直驱风电场短路电流计算方法

风电场短路电流计算普遍采用等值模型,不计内部线路、变压器等因素,精度欠佳;而考虑上述因素的短路电流计算方法多采用电压电流同时迭代的方式,其收敛性难以直观验证。为此,提出了一种计及风电场内部结构参数的短路电流算法。首先,结合限幅作用下的D-PMSG(永磁直驱风电机组)电流特性与最大维度的风电场节点电压方程,构建了风电场短路电流计算模型;其次,利用诺顿等值消去未知电流参数,并结合工况变化确定修正的节点电压方程;最后,结合电压迭代,得出了基于修正模型和风电场特性的短路电流计算方法。仿真对比结果表明,所提方法具有较高的准确性以及更好的收敛性。

大基地风电场“以大代小”等容量排布方案分析

“以大代小”是风电项目进行等容或扩容改造升级常用的一种方式。以大基地风电场为研究对象,探究针对大基地项目进行“以大代小”技术改造的规划方案。将大基地风电场划分为9个待改造区域,分别采用两种改造方案,从机组单机容量、机组轮毂高度、改造区域机组对周边机组的尾流影响等几个关键因素入手,分析这些因素对场区发电量的影响及发电量提升效果,进而得到最优的改造机型和布局规划。研究结果表明,保持轮毂高度不变,提升单机容量,发电量增加幅度并不显著。当抬升轮毂高度且提升机组单机容量时,发电量提升效果较为明显。当选取的轮毂高度与周边机组轮毂高度较为接近时,随着改造区域单机容量增大,对周边机组的尾流影响越大,影响最大的为处于改造区域下风向的机组,影响最小的通常为处于改造区域上风向的机组。抬升轮毂高度,随着单机容量的提升,发电量提升效果较为显著。根据大基地风电场的实际风资源条件,在场区中间区域适当抬升轮毂高度,可以提升发电量并减少对周边风电场的尾流影响。等容量技术改造时,应优先选择高塔架大兆瓦机组进行改造。

宁夏某风电场“以大代小”等容改造方案比选

风能是可再生能源的重要组成部分,是实现“双碳”目标的重要支撑。早期的风电场因设备老旧、运维成本高,故对风电机组进行技改升级迫在眉睫。鉴于此,以宁夏某风电场“以大代小”等容改造为例,在分析风资源、土地资源的基础上,从技术方案、经济性角度开展方案比选,将原有108台850 kW风机布置为9台5.0 MW+9台5.2 MW机组,实现土地资源节约利用与风资源效能增加,并为后期增容留有建设空间。改造结果表明,改造后发电利用小时数可以提高到2 710 h,同比提升2.45倍,方案比选为后续同类项目的实施有一定的借鉴作用。

大规模风电参与系统频率调整的技术展望

要求风电主动参与系统频率调整是风电大规模并网后电力系统为保证其自身安全做出的必然选择。世界多个国家的风电并网导则对此提出了明确要求。然而,传统的风电机组一般都没有提供频率调整功能,风电如何参与调频是目前的研究热点。从风电参与系统调频的控制策略和能力评估两个方面对相关研究进展进行了综述。控制方面,对比研究了模拟惯量控制、下垂控制、转子转速控制、桨距角控制以及协调控制等不同控制策略。调频能力方面,分析了单台及多台风电机组的调频能力,归纳了风电区域互补性对调频能力的影响。并展望了需进一步重点研究的内容:风电场内部机组间及风电场与常规系统间的协调控制、风电场与储能等新技术的协调控制、风电场参与调频的能力评估与经济性分析。

大型风电场用储能装置容量的优化配置

随着风力发电系统装机容量的不断提升,风电占所在电网的比例也在逐步增加。由于风的高度随机波动性和间歇性,使得大容量的风电接入电网会对电力供需平衡、电力系统的安全、以及电能质量带来严峻挑战。为此,以我国浙江沿海地区的一个大型风力发电场连续3个月的运行数据为基础,根据不同风电场和储能系统的容量配比关系进行仿真分析,借助储能装置来抑制风电系统固有的波动,使风电这种间歇性、波动性很强的可再生能源变得"可控、可调",使电网对这种最接近规模化发展的能源调度变为可能,提出了一种配置大规模储能系统的方案,初步优化了储能系统的容量。对设计大型风力发电场的储能系统进行了初步的探讨。可为相应的大型风电场建设储能系统提供一定的借鉴。

大型集群风电有功智能控制系统设计

分析了大规模风电接入甘肃电网对调度运行产生的影响,提出了风电有功功率控制的思路,介绍了大型集群风电有功智能控制系统的配置方案、系统功能、控制策略设计原则,以及控制系统与风电场之间的控制接口方案和控制方法。该系统已投入工程运行,使得各风电场的发电量普遍提高,取得了很好的控制效果,既保证了风能这一绿色能源得到有效开发和充分利用,又保证了电网的安全稳定运行。

大规模“风火打捆”经直流外送数模混合仿真系统

为深入研究大规模新能源基地经特高压直流向负荷中心远距离大容量送电的可行性及遇到的技术问题,一个有效的仿真平台是必不可少的。文章结合数字实时仿真及物理仿真各自的优势,以电磁暂态数字实时仿真系统HYPERSIM为研究平台,用直流输电物理仿真装置模拟外送风电的特高压直流输电系统,利用双向功率连接数模混合仿真技术模拟功率在数字和物理模型之间的交换,建立了大规模风电经直流外送的数模混合仿真系统。通过暂稳态仿真试验,对该仿真系统的动态响应特性进行了验证,解决了在模拟大规模风电接入电网的同时,精确模拟外送风电的直流输电系统动态响应特性的技术难题,为大规模风电接入电网及直流输电对大规模风电的适应性、交直流协调控制等研究提供了必要的手段。

大规模风电入网辅助服务成本补偿机制研究

随着大规模的风电快速发展,电力系统的辅助服务需求会越来越多。辅助服务问题已经成为制约大规模风电并网的最重要因素之一。量化研究了大规模风电接入对电力系统辅助服务成本的影响,其主要来自调峰及备用。依此为基础,从中国电力改革与发展的角度,提出了几种因风电接入导致的辅助服务成本的分摊与补偿机制,按可行性难易程度提出了相应的政策建议。