Reinforcement learning for wind-farm flow control:Current state and future actions

Wind-farm flow control stands at the forefront of grand challenges in wind-energy science.The central issue is that current algorithms are based on simplified models and,thus,fall short of capturing the complex physics of wind farms associated with the high-dimensional nature of turbulence and multiscale wind-farm-atmosphere interactions.Reinforcement learning(RL),as a subset of machine learning,has demonstrated its effectiveness in solving high-dimensional problems in various domains,and the studies performed in the last decade prove that it can be exploited in the development of the next generation of algorithms for wind-farm flow control.This review has two main objectives.Firstly,it aims to provide an up-to-date overview of works focusing on the development of wind-farm flow control schemes utilizing RL methods.By examining the latest research in this area,the review seeks to offer a comprehensive understanding of the advancements made in wind-farm flow control through the application of RL techniques.Secondly,it aims to shed light on the obstacles that researchers face when implementing wind-farm flow control based on RL.By highlighting these challenges,the review aims to identify areas requiring further exploration and potential opportunities for future research.

海上风电场经交流海缆并网谐波谐振放大分析

采用交流海缆接入电网的海上风电场在电缆线路分布电容的作用下,可能出现陆上风电场不常见的谐波谐振与谐波放大现象,严重威胁到海上风电场安全可靠运行。为研究海上风电场谐波谐振机理与谐波放大影响因素,首先,建立了海上风电场输电系统与集电系统两部分的状态空间模型,并给出谐波放大倍数、谐波含量等指标的计算方法;其次,通过特征值和参与因子揭示了谐波谐振机理及关键影响因素;然后,通过根轨迹法研究了电网短路容量、高压电缆参数和风电机组并网台数对谐振模态的影响;最后,在Matlab/Simulink仿真平台搭建江苏某海上风电场.验证理论分析的有效性。

风光热储互补发电系统容量配置技术研究

针对无常规电源支撑的风光热储互补发电系统,协调规划装机容量对提高发电系统运行经济性和利用率具有重要意义。提出了一种双层优化配置方法,上层以最小度电成本及弃电率为目标,确定系统装机容量;下层以新能源发电消纳最大为目标,解决功率分配问题。通过反复迭代寻优,得到系统容量配置;然后;通过纳什谈判对优化结果进行选择;最后,对甘肃河西地区数据进行仿真分析。结果表明:风光热储互补发电系统最优容量配置下的度电成本为0.3064元/(k W·h);风电场加光伏电站装机容量与光热电站装机容量的最优比为6:1,对比相同装机容量的风光互补发电系统,风光热储互补发电系统具有更高的稳定性。

中国典型复杂地形风能资源特性及其形成机制

为提高对复杂地形风资源特性及其形成机制的认识,改进复杂地形风场数值模拟方法,分别选取代表极大起伏山地与宽谷地形的藏南谷地、代表极大起伏山地与深谷地形的横断山区以及代表中、小起伏丘陵山地的山西高原开展风资源特性观测实验,分析不同典型复杂地形条件下天气背景风场、局地大气环流、地形动力强迫、地表摩擦与热力作用对风资源特性形成的贡献,结果表明:山西高原局地大气环流的作用较小;藏南谷地和横断山区的山谷风环流对其风能资源特性的形成起主要作用,尤其是横断山区还存在多尺度的局地大气环流,传统的风电场风资源CFD数值模拟不足以描述如此复杂的风场。因此,在局地大气环流作用明显的复杂地形地区,需要采用中尺度与CFD结合的风电场选址风资源数值模拟方法。

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。

主动支撑电网的双馈风电场故障功率协调控制方法

风电持续开发建设使同步发电机渗透率降低,电力系统抗扰能力不断下降。双馈风电场(doubly-fed wind farm,DFWF)内部故障后,双馈风电机组(doubly-fed wind turbine,DFWT)的切除导致电力系统出现功率缺额,可能威胁系统安全稳定运行。为此,利用故障期间DFWT机械功率与电磁功率不平衡累积的暂态能量,提出了主动支撑电网的双馈风电场故障功率协调控制方法。分析了DFWF内部故障特征,提出了故障全过程功率协调控制的思想。推导了DFWF内部故障下DFWT的转速解析表达式,分析了DFWT暂态能量的特征并给出了最大暂态能量的计算方法。在此基础上,给出了DFWT功率支撑控制参考值与功率支撑控制时间的计算方法,并提出了DFWT故障功率协调控制策略。算例表明,DFWF故障功率协调控制可利用暂态能量最大限度地提供功率支撑,降低DFWF内部故障对电力系统的影响。

适用于双馈风电场送出线的纵联方向保护研究

考虑风电场接入电网时,传统方向元件在短路故障发生时易受到风电场内部电力电子器件动态特性的干扰影响,导致频率特性偏移,系统参数不稳定和弱馈性等问题,使继电保护装置不能及时或正确判断故障发生区域。针对上述问题,首先对含有风电场的故障附加网络进行分析,寻找故障发生后纵联保护安装处各测量点电气量之间的关联性,确定其故障逻辑关系。其次通过对常用的相模变换解耦方式进行分析,选择一个合理的方法代入相关性表达式,根据相关系数值完成故障区域判定。最后利用PSCAD/EMTDC搭建双馈风电场并网模型,设置各种不同的故障类型和场景,并利用Matlab进行保护算法验证,检验故障区域判断结果,验证所提保护方法的正确性与合理性,并且仿真结果表明该方法具有较高的可靠性。

多风电场支撑电网频率稳定的动态差异化时序协同控制策略

针对大规模风电接入带来的系统调频能力不足和调频能量透支引发的频率二次跌落问题,提出一种多风电场动态差异化时序协同的频率支撑控制策略。首先,阐述综合惯量控制下的风电调频原理,基于能量守恒理论分析频率响应阶段风电场群的动能变化过程,揭示多风电场调频时序对调频效果的影响机理。然后,考虑多风电场群同时调频引发的频率二次跌落风险,从场站交互视角逆向设计风电场群调频时序和任务分工,并依据风电实时调频能力动态调整投入顺序,以保证初期过程惯量安全需求,并提升频率最低点、抑制风电场群退出调频导致的系统频率严重二次跌落。最后,通过3机9节点测试系统和某实际电网算例对所提控制策略进行仿真分析,结果验证了所提策略的有效性和实用性。

基于分组控制策略的风电场储能容量优化配置

为解决风电出力的波动性和不确定性问题,提出一种基于电池储能分组控制策略并计及其运行不平衡性的风电场电池储能容量优化配置方法。首先,在比较分析不同电池储能分组策略基础上,提出风储联合系统三电池组分组控制策略及充放电运行模式,并构建计及经济成本、衰减指标和寿命期限的多目标电池储能容量配置优化模型;然后,采用变分模态分解法处理风电数据,并通过非支配排序遗传算法与CRITIC-TOPSIS综合决策法联合求解获取最佳的电池储能容量配置方案;最后,通过与现有分组控制策略对比,验证该文所提出的三电池分组策略在改善电池储能充放电不平衡性以及减缓损耗方面的有效性,并对比不同目标和不同决策方法下的电池储能配置方案,结果表明该文提出的多目标优化模型与综合决策方法在延长电池使用寿命的同时保证经济性方面具有明显优势。

浅水浮式风电结构非线性波浪荷载及动力响应特性研究

浮式风电结构在浅水海域中承受的波浪荷载及运动响应表现出非线性特征,对浮式风电安全性提出很高要求。本文建立了风机-浮式基础-系泊系统耦合分析模型,对于不同水深、不同波浪荷载计算方法下的频域水动力系数和时域计算结果分别进行了对比,讨论了水深以及波浪荷载计算方法对浮式风电结构响应和系泊张力的影响。结果表明:浮式风电结构的水动力性能和动力响应随水深变化显著。水深较浅时,浮体响应和系泊张力的低频部分明显增大,二阶波浪荷载的影响更加显著。同时,Newman近似方法与全二次传递函数方法相比,在浅水条件下会明显低估二阶波浪荷载效应,进而影响平台响应和系泊张力的分析。

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%。

新能源场站快速有功控制及频率支撑技术综述

以光伏/风电为代表的新能源高比例并网降低了电力系统的惯量水平和频率支撑能力,频率稳定问题成为当前电网安全稳定和新能源高效消纳的核心问题之一。发展新能源发电并网机组单元和场站的快速有功频率响应和主动支撑能力是当前的研究热点。该文以“单机快速有功控制-场站快速有功控制-场站快速频率支撑”为主线,梳理光伏/风电的快速有功控制及频率支撑发展现状,分析频率检测、通信延时和控制响应模式等因素对光伏/风电场站频率响应快速性的影响,指出风电机组的机械载荷约束、风电场百毫秒级有功控制、场站的调频响应模式选择和优化、暂态有功无功协同控制是提升新能源发电单元和场站的快速有功频率响应能力的4个关键问题,最后对未来的重点研究方向进行展望和讨论。

风电场参与电网调频的多机协同控制策略

【目的】考虑风电场中不同风况下风电机组参与一次调频能力的差异,在下垂控制和惯量控制策略的基础上,对机组的调频能力评估方法进行优化。【方法】提出了一种改进的多机组调频参考功率协同控制策略。【结果】引入多机组协同控制方法能够有效改善机组之间调频参考功率的分配,从而有效调节各机组参与系统一次调频的程度。在惯量控制和下垂控制的基础上引入改进的协同控制策略,依据机组在实际风况下运行的状态,评估机组能够有效参与一次调频的参考功率。引入调频能力系数能够实现调频功率参考值在各机组之间按能分配。【结论】协同控制策略能够有效保护风电机组转速,同时能够有效改善电网频率响应。

改进MOGOA及其在风储容量优化配置中的应用

针对传统方法在风储容量优化配置过程中求解精度低、效率低等问题,提出一种改进多目标蝗虫优化算法(improved multi-objective grasshopper optimization algorithm,IMOGOA),采用Fuch混沌映射、余弦自适应参数和莱维飞行三种策略进行改进,使算法的初始解分布更均匀、全局探索和局部开发更协调,同时增强了算法跳出局部最优的能力。对改进算法和多目标粒子群等多个算法进行性能测试对比,实验结果表明改进算法具有更好的寻优精度和稳定性。将该算法应用于风电场混合储能系统容量优化配置,对比其他算法,改进算法能够快速找出Pareto最优解集,在满足系统要求的同时,最大限度降低混合储能系统成本,可以验证算法改进策略的有效性和应用于实际优化问题的适用性。

计及低电压穿越及故障全过程动态的双馈风电场等值方法

在分析双馈感应发电机(DFIG)故障各阶段动态的基础上,提出了一种计及低电压穿越控制的双馈风电场等值方法。首先,讨论了低电压穿越控制策略,给出了含双馈风电场的电力系统故障稳态潮流计算方法。在考虑电压暂态过程的条件下,分析了外部系统短路故障后DFIG转子电流的变化机理,指出电压跌落深度及风电功率是影响短路电流的主要因素,可根据动作分界线判断撬棒是否动作。然后,根据初始风速及撬棒状态将风电场中的DFIG分为3群,并对等值DFIG及集电网络进行聚合。为提高等值模型在恢复阶段的精度,根据故障稳态电压对双馈风电场功率恢复曲线进行预估,并在此基础上对等值DFIG恢复速率进行分段修正。最后,对含双馈风电场的算例系统进行了等值计算。仿真结果表明,等值模型较好地保持了原系统在故障各阶段的动态,在保持较高精度的前提下有效简化了系统,提高了计算速度。

海上风电场四圆柱基础冲刷问题数值模拟研究

海上风电场的基础冲刷问题危害着整体结构的耐久性和安全性。针对某海上风机四圆柱基础的冲刷问题开展数值模拟研究。采用SST k-ω湍流模型描述水流动力学,采用Exner方程描述水-泥沙交界面运动,采用浸入边界法描述水和泥沙的耦合作用。采用单桩冲刷算例验证了计算方法的准确性和可行性。对于风机的四圆柱基础冲刷问题,研究了0°和45°来流作用下的基础冲刷问题。模拟结果显示,4个圆柱基础均有不同程度的冲刷深度,上游圆柱产生的涡流场会引起下游圆柱基础的进一步冲刷。

中国陆上风电开发土地需求的定量研究

随着气候变化、能源短缺等问题的日益突出,大规模开发可再生清洁能源已成为世界各国的普遍选择。其中,陆上风电以其技术成熟、安全高效的优势,在全球能源转型的进程中发挥着重要作用。然而,风能资源具有能量密度低、不稳定和空间分散等特点,大规模开发陆上风电需要大量土地资源支撑。为保障碳中和目标下风电发展的土地资源需求,该研究对中国陆上风电的土地占用情况进行了定量研究。首先,以排他性为界定标准,从时空维度重新划分了风电场土地占用类型。其次,融合样本参数法和α形状算法,分类核算了中国现有陆上风电场的占地面积。最后,综合考虑风电技术发展趋势,系统模拟预测了碳中和目标下不同发展情景的中国风电用地需求。结果表明:①基于排他性原则,风电场总占地面积在空间维度上可分为直接影响区域和间接影响区域两部分;直接影响区域在时间维度上可分为永久用地和临时用地两部分。②2022年中国陆上风电场风机基础占地、永久用地、临时用地和直接影响区域占地面积分别达到48.28 km^(2)、352.08 km^(2)、1234.86 km^(2)和1638.81 km^(2)。③2022年中国陆上风电场间接影响区域占地面积和总占地面积分别达到了9.81×10^(4)km^(2)和9.99×10^(4)km^(2),总占地面积几乎与全国城镇总用地面积相当。④与当前技术水平情景相比,技术进步与风机换代情景下,2060年中国风电各类用地需求均有大幅下降,且用地需求在2050年前后达到峰值,风电机组的大型化替代对土地资源的节约潜力巨大。因此,完善风电建设用地标准、提升风电开发用地效率、统筹推进海上风电建设,是协同风能资源开发与土地资源可持续利用的重要路径。

海上风电场经柔直送出系统的虚拟导纳中频振荡抑制策略

随着柔性直流输电技术在远海风电的广泛应用,海上换流站接入远海风电场时出现了中频振荡现象,严重危害系统安全稳定运行。为此,提出了一种基于虚拟导纳的中频振荡抑制策略。首先,采用模块化状态空间法建立了海上风电场经柔直送出系统的小信号模型。然后,采用参与因子分析方法揭示了影响中频振荡的关键因素,并分析了各关键因素对中频振荡的影响特性。在此基础上,提出在柔直控制系统中添加虚拟导纳的阻尼控制策略,并基于阻尼控制器对中频、LCL振荡的差异影响划分了控制器参数的稳定域。最后,在Matlab/Simulink中搭建时域仿真模型。结果表明,所提策略在系统不同运行工况下均可有效抑制中频振荡,提高了系统稳定性。

海上风电桩基础打桩过程中桩周土强度弱化模型试验研究

在海上风电桩基础的打桩过程中,桩周土体强度会产生明显的弱化现象,为明确桩周土体强度弱化影响因素以及弱化规律,开展模型试验模拟打桩过程,研究在不同锤击能量下,不同桩体尺寸情况下,桩身侧摩阻力随着贯入深度的变化规律,建立描述土体强度弱化规律的弱化公式,并通过打桩软件对多个海上风电桩基础工程中大直径及超大直径钢管桩的打桩实测数据进行打桩分析。研究结果表明:在打桩过程中,桩周土体强度的弱化同时受到桩体质量以及锤击能量的影响,桩基质量和锤击能量越大,土体强度弱化程度越高。在打桩的可打入分析中,采用该文所建立的弱化公式可模拟出不同尺寸桩体沉桩时土体强度的折减规律。

基于自适应优化AP聚类与BP加权网络的多区域复合短期风电功率预测

精准的风电集群区域功率预测对电源侧的竞价上网具有重要意义。由于同一地区多个风电场受气候影响波动程度相近,可看作具有时空相关性的风电场群,并以此进行集群的合理划分。为此,提出一种基于自适应优化近邻传播(AP)聚类与反向传播(BP)加权神经网络的多区域复合短期风电功率预测模型。首先,通过粒子群优化算法(PSO)优化AP聚类方法对风电场群的历史数据进行集群的聚类与划分;然后,根据得到的最优聚类结果构建风电场群子区域样本训练集;最后,利用基于相关系数权重的BP神经网络对各子区域进行功率预测。算例结果表明:所提方法在24 h日前预测相较传统叠加法与单一BP神经网络可提高1.35%和2.62%的精度,可表明该模型具有优越的预测性能。