考虑海缆实际载流量的海上风电集电系统拓扑优化

海缆实际载流量是海缆选型的重要依据,在海上风电场集电系统拓扑优化中,考虑不同敷设区段海缆载流量存在的差异以及海缆多回路并联敷设时磁热效应对载流量的影响,对保障集电系统的安全性具有重要意义。首先,采用模糊C均值算法对风机进行聚类分区,将集电系统拓扑优化分解为分区内、外拓扑优化。然后,在分区内采用基于Voronoi图的拓扑搜索算法进行求解;在分区外拓扑优化中,考虑海缆瓶颈区段、回路数对载流量的影响,构建混合整数非线性优化模型,线性化后采用优化求解器GUROBI进行求解。最后,以某实际风电场为例进行仿真验证。结果表明,所提模型能保证海缆实际载流量始终大于海缆工作电流,可有效保障集电系统的安全性。

新能源风力发电项目66 kV系统应用前景研究

随着“3060”碳达峰、碳中和目标的实施,大容量风电基地将不断出现,未来风电机组单机容量越来越大,集电线路采用66 kV电压等级,由于其在投资和电能损耗方面的优势,将是风电场发展的必然趋势。文章对35 kV与66 kV集电线路的经济性进行分析,以期为相关人员提供参考。

基于二极管分散整流的风电机组中压直流汇集直接送出系统

基于二极管分散整流的风电机组中压直流汇集直接送出系统可以省去海上升压站及海上换流站,对于中远距离、中等规模海上风电具有突出经济优势。针对其特有的输电电流纹波问题,建立了多机动态移相参考坐标系(DPSRF)并提出按DPSRF坐标系d轴定向的电压矢量控制,实现多台机组的分散式二极管整流器整流电流矢量和输出电流纹波的交错分布,有效降低直流输电电流和电压纹波。计及纹波交错算法中动态移相角影响,建立风电机组网侧变换器小信号状态空间模型,基于特征根分析辨识系统弱阻尼环节,并针对性地提出镇定控制策略。发挥该系统有望免除直流断路器的优势,制定了基于扰动注入的故障定位策略,配合继电保护逻辑和机组动作时序实现无通信依赖的直流内网多故障位置故障定位与隔离。最后,PSCAD仿真和基于RT-LAB的硬件在环实验验证了所提控制保护策略的有效性。

山区风电场道路及集电线路协同优化设计

以某山区风电场为研究对象,基于最短路径Dijkstra算法,以风电场场内新建道路路径和电缆长度最短为优化目标,建立了满足山区风电场的道路纵坡坡度、最小转弯半径、敏感区、边界、桩距等约束条件的选线算法,该算法的特点一是采用规则三角网格和对角距启发式函数来搜寻六个方向,满足最小转弯半径的要求,大大提高了算法便捷性。二是算法分两步进行,第一步针对主线道路服务,仅输入需要优化的道路的起止点,即可获得两点的最短路径;第二步针对支线道路服务,以第一步得到的主线道路为已有道路,只需要输入支线道路抹点(机位点坐标)坐标,即可自动寻索到该点距离主线道路的最短路径。研究结果可为实际的风电场建设前期工作提供重要的过程指导。

超大规模海上风电海陆一体直流输电技术探讨

海上风电的大规模开发是“双碳”战略目标实现的重要举措之一。常规的海上风电经柔性直流送出方案中,风电登陆后依赖交流架空线实现陆上电能传输,存在陆上输电走廊占用大、需要建设大量陆上换流站等不足,难以支撑我国海上风电资源大规模集中开发的需求。在分析我国海上风电开发需求的基础上,提出了超大规模海上风电海陆一体协同输电技术方案,为千万千瓦级海上风电基地开发提供一种新的解决思路。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了6000MW海上风电经三送、两受多端直流海陆一体送出系统模型,验证了所提技术方案的有效性和可行性。

基于无功就地平衡的风电场内部分散决策式精细化无功电压控制策略

“沙戈荒”大规模汇集系统远离主网,呈现出较强的无功电压敏感特性,风电场整体和内部的无功不平衡在并网送出线路和场内馈线上产生的压差较大,传统的风电场无功电压控制方案难以保证其安全经济运行,为此提出一种风电场内部分散决策式精细化的无功电压控制策略。从无功需求的物理本质出发,详细分析风电场内各元件的无功需求并给出具体计算方法,进而建立风电场分布式多中心无功平衡模型,以非迭代方式直接求解场内各无功电源的无功指令。为衡量场内馈线上不合理无功流动,定义分区无功穿越量的概念,并推导出其计算表达式。算例分析结果表明:风电场内部分散决策式精细化无功电压控制策略能够强化风电场内无功就地平衡,有效改善馈线电压分布,大幅减少馈线上的无功穿越和有功损耗,提高风电场并网运行的安全性与经济性。

沙戈荒大基地风电项目集电线路选型及优化研究

针对沙戈荒大基地风电项目的特殊气候与地质条件,系统进行了集电线路的选型与优化研究。首先,对集电线路的回路数量与路径进行了分析,根据负荷需求明确了回路划分原则;其次,依据载流量需求确定了导线截面,选定了适宜的杆塔型式与构造;再次,分析了地质条件,优化了基础型式以降低基础成本并提升稳定性;最后,研究了防风拉线金具的设计与固沙方案的实施。项目预测集电线路优化将实现成本节约并提高运行可靠性,为风电项目提供经济、有效的集电线路设计方案。

海上风电分频集电系统结构及其稳定运行影响因素仿真分析

近年来海上风电发展迅速,但普遍存在建设投资大且维护成本高的问题。本文提出了一种基于高压永磁同步发电机的分频集电系统结构,减少机端换流器数量和分频升压变压器环节,实现分频并网发电,并介绍了基于统一变流器的分频集电系统稳定控制策略。基于Matlab/Simulink搭建了含三台永磁同步发电机的分频集电仿真模型,并对影响系统稳定运行的风速差异和线路阻抗差异因素进行了仿真分析,仿真结果表明,三台风机在存在风速差异和线路阻抗差异的情况下能够稳定运行,验证了基于转子平均磁链控制的分频集电结构的有效性。

载荷优化的海上漂浮式风电机组二阶滑模变桨控制

针对强非线性、强耦合的海上漂浮式风电机组动力学系统,提出一种基于二阶滑模的统一变桨控制策略,解决受海浪风速等随机干扰引起浮式支撑平台运动而产生的疲劳结构载荷及功率波动问题。构建漂浮式风电机组的不确定仿射非线性模型,基于风电机组“额定转速”设计积分滑模面,此“额定转速”不再是恒定值,而是取决于平台纵摇速度的变量,基于超螺旋算法实现二阶滑模变桨控制律。采用FAST和Matlab/Simulink联合仿真,所提出的方案与传统PI控制相比,对稳定高风速时风力发电机功率,抑制浮式支撑平台运动及减少叶根载荷具有更好的控制作用,对塔基也有较好的减载作用。

陆上风电直流汇集系统拓扑结构优化设计方法

陆上风电全直流发电系统可有效解决大规模风电交流汇集、传输产生的谐波谐振等问题,而经济、可靠的风电直流汇集系统拓扑结构是其良好发展的基础。文中首先给出基于风机分组串并联的风电直流汇集系统拓扑结构;其次,对该拓扑结构中的不同风机分组方案进行可靠性及经济性评估;然后,综合考虑系统经济性与可靠性问题带来的缺电损失成本,以总成本最低为目标,提出风电直流汇集系统拓扑结构优化模型;最后,以中国西北某50 MW风电场为例,对所提风电直流汇集系统拓扑结构优化模型进行仿真验证。结果表明,所提风电直流汇集系统拓扑结构优化方案可以统筹考虑系统经济性和可靠性,获得最优风机分组方案,将优选后的拓扑结构与典型风电交流汇集系统结构对比,验证了所提拓扑结构优化方案的可行性及优势。

海上风电直流汇集DC-DC变换器拓扑与控制策略分析

海上风能资源丰富,大规模远距离的海上风电是未来风力发电的趋势。作为风电直流汇集传输的核心设备,适用于高压大功率的DC/DC变换器研究尤为重要。已有的DC/DC变换器大多工作于中低压小功率环境,为此文章介绍了海上风电DC/DC变换器的技术需求,详述了适用于海上风电直流汇集的模块组合式DC/DC变换器拓扑结构、子拓扑结构、控制策略,总结分析了模块组合式DC/DC变换器需进一步研究的内容,为其应用于海上风电直流汇集提供了参考。

计及循环寿命和运营策略的风电汇集区域储能电站优化配置

风电汇集区域建设储能电站可在保证整个区域一次调频能力的同时提高经济性。针对风电汇集区域建设储能电站提出一种基于运营策略的储能容量配置方法。储能电站采用独立运营机制,在保证区域一次调频容量的前提下参与电力市场交易,实现储能利用率、效益最大化。提出储能电站运营配置协同优化双层模型,外层以全生命周期投资回报率最大为目标进行储能配置,内层计及储能循环寿命以日运行期望利润最大为目标优化运营策略,内外层联合优化达到综合最优,从而得出储能配置结果。提出一种改进麻雀搜索算法提高收敛速度,对双层配置模型进行求解。通过算例验证了所提方法能够在确保区域具备一次调频能力的同时提高储能的经济性。

基于暂态负序电流积聚量比值的海上风电交流汇集线路保护

海上风电经柔性直流送出系统交流汇集线路发生不对称故障时,线路因两侧换流器采用负序抑制策略而呈现微弱故障特征,导致常规工频量交流保护性能下降。文中首先分析了海上交流汇集线路发生不对称故障时的故障回路及区内、外故障下负序电流的分布情况,发现连接于同一母线的故障线路与非故障线路的负序电流存在明显差异。进而通过构造负序电流积聚量,放大故障线路与非故障线路的负序电流幅值差异特征,提出了一种基于暂态负序电流积聚量比值的交流汇集线路保护方案。所提方案可实现故障线路的快速准确识别,具有一定的耐过渡电阻能力。最后,基于PSCAD/EMTDC平台进行了仿真验证,结果表明新方案具有可行性和有效性。

大型海上风电场风机微观选址与集电系统联合优化

海上风电开发已经成为我国可再生能源开发的重点内容之一。在海上风电场的开发与建设中,风机的微观选址关系着风电场中所有风机的发电效率,而集电系统承担汇集风机发出的风电功率并外送至陆上电网的重要任务,两者在成本与发电收益上存在相互制约与相互影响的关系。为了获得海上风电场更大的发电收益,文中提出了一种风机微观选址与集电系统双层联合优化方法;上层采用遗传算法进行风机微观选址优化,下层采用蚁群算法(ACS)实现集电系统拓扑结构优化。案例分析结果表明,风机微观选址与集电系统联合优化方法兼顾了风电场长期总发电效益与集电系统的投资成本,具有更高的经济性。

大型风机海上风电场集电系统拓扑优化

海上风电机组呈现大型化发展趋势,集电系统的电压等级随着单机额定容量的变化而发生改变,使用模糊c-均值聚类算法(FCM算法)进行海上风电场集电系统拓扑优化在选取集电系统电压等级较低时,将面临串组内风电机组个数冗余度受限、集电系统拓扑结构更加复杂等问题,导致规划效率过低或规划失败。针对66kV及35kV集电系统,将FCM算法及Prim算法从边权条件、优化路径选取等方面进行改进,对整体规划进行降维分区,通过改进算法结构、改进寻优方式等方法,把复杂的集电系统优化分解为多个分区的优化问题,使改进算法在风机容量大型化的趋势下,可适用于不同电压等级的海上风电场集电系统拓扑优化,并通过算例证明优化算法具有较好的普适性、寻优性及规划效率。

以并网点电压和机端电压平稳性为目标的风电场无功电压协调控制

现有的风电场无功电压控制方法均没有同时以风电场并网点和各机端电压为控制目标,因而不能完备地解决机端电压因扰动而发生偏移越界的问题。提出一种适用于变速恒频风电机组风电场的多目标无功电压控制方法。该方法通过调节风电机组及风电场内快速无功补偿装置优化风电场并网点及场内机组端电压,降低机组因电压越限而导致的脱网事故。以实际双馈风电机组的大型风电场为例,在RT-Lab实时仿真平台上验证了所提控制方法的有效性。

垂直轴风力发电机结构研究进展

与水平轴风力发电机相比,垂直轴风力发电机具有结构对称、风能利用率高、噪音低等优点,有着较为广阔的市场前景。首先对垂直轴与水平轴风力机作了比较,分析了垂直轴风力发电机的特点,简要地概述了垂直轴风力机的先后发展,分别介绍了常见的萨渥纽斯阻力型、达里厄型及其变形结构等垂直轴风力机的结构,阐述了国内外学者对垂直轴风力机结构的研究现状,最后简要地分析了设计垂直轴风力机所面临的主要问题。

海上风电机组状态监控技术研究现状与展望

海上气候环境恶劣,风电机组维护困难,故障率高。状态监控技术的发展和完善有助于提高海上风电机组的运行性能,提高风电场生产效益。对现有海上风电机组状态监控技术的相关研究进行分类总结,包括监控系统开发、状态信息采集、状态信息传输、风电机组故障诊断、风电机组状态控制、风电场运行成本分析等,对亟待解决的问题进行了探讨,并指出今后的发展方向,为构建稳定性强、灵活性好、智能化程度高的海上风电机组状态监控系统提供有益参考。

风电场架空集电系统雷电暂态过电压分析

针对风电场集电系统箱变在雷害事故中大量损坏的现状,对雷击风电场架空集电线路引起的暂态过电压进行了计算。运用ATP/EMTP电磁暂态仿真软件建立了包括风电机组、集电线路和箱变的等效模型,考虑了雷击方式、雷电流波形、风力机接地电阻以及风电机组拓扑结构对箱变两侧暂态过电压的影响。研究结果表明:箱变低压侧的暂态过电压与波头时间成反比关系,波头时间为1.2μs时箱变低压侧的暂态过电压是20μs时的8.75倍,箱变高压侧的暂态过电压几乎不受波头时间的影响;接地电阻越大,箱变两侧的暂态过电压越大;风电机组架空集电线路遭受雷击时,环形拓扑的可靠性最高,环形拓扑联合为风电机组的最优联合方式。

风电场电缆集电系统雷电暂态数值计算

针对风电场集电系统升压变压器和避雷器在雷害事故中大量损坏现状,在雷害事故现场调查的基础上,对风电场电缆集电系统雷电暂态过电压及电流分布进行了数值计算。建立了单台机组模型和多台机组模型,考虑了风电机组数量、雷电流幅值、机组冲击接地电阻等各种因素对雷电暂态过电压和雷电流分布影响。结果表明:避雷器标称放电电流偏小是雷击损坏主要原因,多次回击电流将导致避雷器以及与其并联连接的升压变压器损坏。对于35 kV风电场电缆集电系统,如果风电机组冲击接地电阻很难降低,提高避雷器标称放电电流可以有效解决电缆集电系统雷电暂态过电压和避雷器保护问题。根据计算结果提出了避雷器标称放电电流推荐值,当雷电流幅值<50 k A时,标称放电电流5 k A的避雷器可满足要求;当雷电流幅值≥100 k A时,则需要相应提高避雷器标称放电电流。对风电场电缆集电系统,在接线工艺规范的前提下,升压变压器高压侧安装1组避雷器可以满足过电压保护和绝缘配合要求。