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。

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。

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。

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。

海上风电全直流汇集送出系统自适应振荡抑制策略

海上风电全直流汇集送出系统中各DC/DC变换器以串并联形式组网,其控制之间相互耦合,极易诱发直流母线电压振荡。为抑制海上风电全直流汇集送出系统的直流母线电压振荡,提出一种基于直流镇定器的自适应振荡抑制策略。建立系统中各DC/DC变换器的阻抗模型。在风机机端升压端口处并联直流镇定器,通过提取直流电压的振荡频率,自适应地控制输出电流跟踪其参考值,实现输出电流与直流母线的振荡电压分量同频同相,重塑了风机机端升压端口对应谐振频率附近的阻抗。基于所提方法的振荡抑制机理,设计了期望输出导纳系数的取值界限并进行了直流镇定器的容量配置。通过阻抗稳定性分析和PLECS仿真,验证了所提方法抑制系统直流母线电压振荡的有效性。

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。

考虑集电系统元件故障的风电场可靠性评估

鉴于规划阶段对风电场运行可靠性评估的重要意义,以风电场的有功出力为研究对象,在分析风电场集电系统拓扑结构及元件可靠性模型的基础上,考虑了风速变化对系统可靠性指标的影响,设计了一种序贯蒙特卡洛法与深度优先路径搜索法相结合的风电场可靠性评估流程。通过算例分析比较了不同拓扑结构下风电场的可靠性指标,结果表明,相较于放射形拓扑,采用单边环形拓扑与双边环形拓扑结构的风电场等效停运率分别降低7.92%、7.79%,单边环形拓扑结构的可靠性最高,所建可靠性模型和评估方法有效可靠。

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。

大型海上风电场集电系统拓扑结构优化与规划

集电网络是海上风电场电气系统的重要组成部分,其拓扑结构的设计选取与海底电缆的路径和截面密切相关。针对集电网络常见的放射形、环形2种结构,以电缆成本最优为目标,建立经济性优化模型,采用单亲遗传算法(single parent genetic algorithm,SPGA)对模型进行求解,以实际案例对2类结构的经济性进行优化,从中选取2种最优结构作可靠性评估,结合经济性及可靠性的定量分析数据,给出了每种方案的各自适用范围,为大型海上风电场集电网络规划提供了有效的优化方法。

分频风电汇集系统的九边形变换器及三端口功率控制研究

分频输电海上风电汇集输送具有经济技术优势而受到广泛关注,其核心装置为交交变频器,每个工频与低频的输电回路均需要一组高压大容量的级联型变换器。为了提高拓扑的复用度,减少装置体积,并降低器件使用数量,提出一种将各自独立的变换器以器件复用的形式集成为1个三端口九边形变换器。根据其拓扑的数学建模,分析桥臂的功率特性,提出对应的控制策略以实现3个端口能量交互,与变换器互联的3个端口的能量通过桥臂环流传递能量,桥臂功率控制抑制其功率常量保证了变换器的正常运行,端口功率控制使风电场能量回馈电网。最后,在RT-LAB仿真平台验证集成拓扑的可行性与控制策略的有效性。

双馈集群汇集站主变及送出线路继电保护研究

传统风电场主变、送出线路保护配置多从系统角度考虑,存在保护动作的选择性、灵敏性问题。尤其是风电集群汇集站主变、送出线路保护适应性问题亟待于进一步研究。为此,结合新疆实际电网结构,考虑双馈风电场故障电流、电压特征,理论分析故障电流频率偏移对差动保护的影响。仿真分析双馈集群风电场接入对汇集站主变相量值差动、采样值差动保护及送出线路不同类型保护的影响。依此提出双馈集群汇集站主变、送出线路保护的相应完善措施,为解决当前电网面临的实际问题提供参考。

基于压电效应的风力发电方法研究

为实现利用压电材料进行环境能量转换的目的,设计了一种能利用风能驱动多片压电片振动发电的装置。该装置通过风能驱动叶轮旋转,利用叶轮的旋转扭力迫使压电片振动,将压电片振动产生的电能通过整流电路、储能电容及DC-DC转换后供负载使用。通过实验对压电片在不同条件下的发电性能进行了测试,实验结果表明,该装置可实现多片压电片对环境能量的收集转换,为此类装置的设计提供了参考,同时也为压电环境能量采集技术提供了新思路。

海上风电场集电系统全寿命周期成本分析

对两种常用的海上风电场集电系统网络拓扑结构进行研究,从全寿命周期角度建立了其总成本模型,并提出了放射形结构拓扑复杂多变、环形结构运行方式多样条件下的集电系统运行成本与维护成本的计算方法。算例分析以一个典型的近海风电场为例,从全寿命周期成本的角度对其集电系统进行优化,结果表明在现有电气设备成本条件下,环形结构在风电场运行16年之后表现出一定的优势。一组灵敏度数据从不同海缆故障率、海缆单次故障维修成本对集电系统全寿命周期成本的影响进行分析,为后续海上风电场集电系统设计提供指导意见。

多功能直流集电器概念及其全直流海上风电系统

直流汇集与输送是未来大规模海上风电系统的主要发展方向之一。为了实现低成本、高效率和高可靠性的海上风电全直流组网与输送,该文提出一种多功能直流集电器概念及其海上风电直流组网方案。通过引入直流集电器对风机单元进行能量汇集和级联升压,所构成的全直流组网系统不仅减小了机侧换流器规模和海上换流站平台,同时消除了风机的功率波动对于风场内网电压的影响,使得各个风机均可实现最大功率追踪并维持原有的控制和保护架构。此外,直流集电器概念的提出使得海上风电系统的运行更加灵活,同时兼顾故障隔离、动态切入切出、直流耗能运行等多种模式,为远距离大容量的海上风电建设提供了一种切实可行的解决方案。最后,通过搭建基于直流集电器的全直流海上风电系统的仿真模型,验证了所提方案的正确性与有效性。