Challenges of Power Delivery from Jiuquan Wind Power Base

The 10-GW-class Jiuquan Wind Power Base in Gansu Province is to get its Phase I Project completed soon, and will further expand and become the world largest wind power base in the future. Whether electricity from the wind power base can be delivered on such a large scale becomes the focus of attention of the world. This paper analyzes four challenges facing the wind power base, including transmission capability, peak regulation and frequency modulation, capacity balance and generation accommodation, as well as system stability.

High Frequency Resonance in DFIG-Based Wind Farm with Variable Power Capacity

As wind power penetration has been gaining in the power grid for decades,a large number of the doubly fed induction generator(DFIG)based wind farms are being established around the globe.The power capacities of these wind farms may vary around hundreds of MW,and most of the wind farms are connected to long transmission cables whose impedances can not be ignored and require careful attention.Several works have investigated the impedance interaction between the DFIG based wind farm and long transmission cables which may unfortunately cause high frequency resonance(HFR).The main contribution of this paper is to investigate the influence of the variable wind farm capacity on the behavior of the HFR when certain transmission cables are provided.It is found out that the potential HFR may happen in certain wind farms,and the larger wind farm capacity causes more severe HFR due to the relatively weaker grid transmission capability.Simulation results based on Matlab/Simulink are given to validate the analysis of HFR.

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。

计及风电场的飞轮储能一次调频控制策略

随着新能源渗透率的提高,电力系统频率稳定性问题愈加严重。本文提出一种改进飞轮储能辅助风电场一次调频的控制策略,分析风储系统的频率特性和容量配置,风电场采用虚拟惯性控制参与一次调频。由于风电场的输出功率根据自然风速随机变化,可能会导致飞轮长期运行至较高或较低转速的状态,在风速骤变时甚至会引起飞轮转速越限。采用虚拟下垂控制结合模糊规则防止飞轮转速越限,从而弥补风电场在一次调频中的功率缺额。通过仿真分析及实验验证阶跃扰动和连续扰动的工况下的频率特性,得出改进控制策略在阶跃扰动和连续负荷扰动2种工况下最大频率偏差更小、响应速度更快的结论.

双馈风电机组利用转子动能进行一次调频能力动态估计

通过释放转子动能参与一次调频的风电机组,其一次调频能力随外界工况特别是风速的波动而变化,需要动态估计一次调频能力,从而为电力系统运行规划、控制策略制定等提供依据。基于风电机组参与一次调频的功率转换动态过程分析,提出了计及风电机组转子转速动态变化的一次调频简化解析模型,借助其一次调频能力的解析解,可快速分析风速波动对风电机组一次调频能力的影响;提出双馈风电机组一次调频能力的概率解析描述,利用点估计与Gram-Charlier级数展开,获得了风电机组一次调频能力随风速波动的概率分布特征。仿真验证了所提动态解析模型的准确性和一次调频能力概率估计方法的可行性与有效性。

计及典型控制的风电场调频能力量化评估及影响因素分析

为尽可能充分利用风电场支撑功率,避免资源浪费,有必要量化评估风电场的调频能力。然而,风电场调频能力缺乏定义且难以评估,运行参数及边界约束对支撑能力的影响机理不明。为此,定义了多时间尺度、多能量形式、多评估层次的指标,从而精准量化评估调频能力。基于所提评估指标,通过分析风电场运行参数对调频能力的作用机理,揭示了转速是低风速和低减载工况下的主要影响因素,而载荷与容量是高风速和高减载工况下的主要影响因素等结论。进一步,提出了基于非线性规划模型的方法对评估指标进行精确计算。最后,对四机两区域系统中下垂和减载控制下的单机聚合风电场进行了算例分析,验证了所提评估指标的合理性和评估方法的准确性,以及关键影响因素分析结论的正确性。

考虑机组疲劳载荷的风电场快速有功功率分配方法

为抑制风电场参与系统调频过程中风电机组的疲劳载荷,提出一种风电机组与风电场相协同的快速有功功率分配方法。首先,推导了风电机组轴系和塔架2个自由度的疲劳载荷表达式,建立起风电机组疲劳载荷与有功出力变化之间的关系。其次,以风电场总疲劳载荷及其站内分布最小为优化目标,以站内机组调整功率之和与场站调频功率需求一致为约束,在保证风电场调频性能的同时降低风电机组的疲劳载荷。此外,采用风电机组控制器滚动计算自身的疲劳敏感度系数,采用风电场控制器调用商业求解器在线求解优化策略,确保调频过程中有功控制的实时性。最后,搭建了含20台5 MW双馈风电机组的算例系统,验证分析了所提策略的有效性。

基于裕度因子的多风电场站集群频率协调控制策略

为提升高比例电力电子装备电力系统的涉网频率性能,提出了一种基于裕度因子的多风电场站集群频率协调控制方法。对于多风电场站集群系统一次调频功率的分配问题,综合考虑转子转速及变流器容量运行条件后,利用等比例裕度因子的一次调频功率分配方法,将有功功率指令下发给各风电场站。针对各风电场站中虚拟惯量、虚拟阻尼系数的制定问题,研究了一种基于可释放动能的频率调节参数分区设置方法。将各风电场站运行状态通过频率响应的变化趋势进行分区,并在此基础上结合可用调频动能对频率调节参数进行合理灵活的设置。仿真结果表明所提方法充分利用了各风电场站的调频资源,提高了高比例电力电子装备电力系统的频率稳定性,为新型电力系统的频率安全性提供了相应的技术保障。

基于双锁相环的海上风场综合惯量调频策略研究

海上风电作为构建以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分将在沿海城市迅速发展,大规模海上风电并网将大幅削减系统惯量,降低频率抗扰能力。为此,提出基于双锁相环的海上风场综合惯量控制策略。首先,从理论上分析了锁相环对风机虚拟惯量的影响机理,探究了参数变化下风机惯量支撑能力和系统频率响应特性;其次,通过分析锁相环参数变化对风机一次调频能力的消极影响,提出基于变参数-快速双锁相环的海上风场综合惯量调频策略;最后,通过仿真验证所提调频策略的有效性。结果表明,综合惯量控制策略在频率响应快速性、抑制测量噪声等方面均具有显著优势。

避免频率二次跌落的风电场一次调频时序协调控制策略

针对风电场调频过程中频率二次跌落问题,提出一种避免频率二次跌落的风电场一次调频时序协调控制策略。首先,定量分析不同风速下风机频率响应时间、转速恢复时间与调频功率的关系,并在此基础上构建风电场一次调频时序协调控制模型,提出避免频率二次跌落的风电场一次调频控制策略。仿真结果表明,所提风电场一次调频时序协调策略既充分利用了各风机的调频能力,又有效避免了系统频率二次跌落,有利于系统安全稳定运行。

计及风电机组短时过载能力的风电场多机协同频率控制策略

新型电力系统下,风力发电并网规模不断增加,大规模风力发电并网对风力发电参与电力系统调频的能力提出更高要求。目前,风电场主要通过释放风电机组转子动能、超速减载或附加储能装置等方式提高其调频能力。然而,以上调频方法存在调频期间捕获风能损失过大或储能配置成本过高等问题,影响风电场的频率调节效率。针对上述问题,提出利用高风速区风电机组的过载能力实现风电机组与储能系统一次频率协同调节的策略。首先计算风电机组的过载能力,其次优先将调节功率分配给高风速区域的风电机组,再将调节功率分配给储能系统,实现储能系统与风电机组的协同。调频结束后,风电机组利用其过载能力帮助储能系统回收能量。实例分析表明,该策略能够提高风电场的频率调节效率。

Wind-farm and hydrogen-storage co-location system optimization for dynamic frequency response in the UK

The continuous development of hydrogen-electrolyser and fuel-cell technologies not only reduces their investment and operating costs but also improves their technical performance to meet fast-acting requirements of electrical grid balancing services such as frequency-response services.In order to project the feasibility of co-locating a hydrogen-storage system with a wind farm for the dynamic regulation frequency-response provision in Great Britain,this paper develops a modelling framework to coordinate the wind export and frequency responses to the main grid and manage the interaction of the electrolyser,compressor,storage tank and fuel cell within the hydrogen-storage system by respecting the market mechanisms and the balance and conversion of power and hydrogen flows.Then the revenue of frequency-response service provision and a variety of costs induced by the hydrogen-storage system are translated into the net profit of the co-location system,which is maximized by optimizing the capacities of hydrogen-storage-system components,hydrogen-storage levels that guide the hydrogen restoration via operational baselines and the power interchange between a wind-farm and hydrogen-storage system,as well as the capacities tendered for low-and high-frequency dynamic regulation services.The developed modelling framework is tested based on a particular 432-MW offshore wind farm in Great Britain combined with the techno-economics of electrolysers and fuel cells projected for 2030 and 2050 scenarios.The optimized system configuration and operation are compared between different operating scenarios and discussed alongside the prospect of applying hydrogen-storage systems for frequency-response provision.

新能源场站快速功率控制系统的研制

随着新能源渗透率的不断提高,仅依靠传统火电机组难以保障频率稳定安全;新能源场站出于经济性的考虑,致使电力部门难以掌握新能源场站的真实调频性能,严重威胁电力系统的安全运行。为了解决传统火电机组频率支撑不足和实时掌握新能源场站调频性能困难的问题,研究了频率测量、非同步采样、控制策略、在线可观性系统等关键技术,研制了新能源快速功率控制系统,通过第三方检测,验证了方案的高性能。

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。

变速风电机组调频特性分析及风电场时序协同控制策略

受变速风电机组与同步发电系统弱耦合的影响,系统等效转动惯量和调频能力随风电渗透率的增加而减少。为此,文中研究了变速风电机组附加频率控制方式,分析了变速风电机组参与系统调频过程中输入机械功率与输出电磁功率的动态变化过程,对风电机组调频能力随风速的变化规律进行了量化分析,给出了风电机组参与系统调频过程中的有功增量与调频可持续时间的对应关系,在此基础上提出了风电场时序协同调频控制策略。依据该策略,风电场各风电机组按照风速—有功增量—可持续时间相依的调频介入与退出机制参与系统调频过程。仿真算例证明,通过协同风电机组间的调频深度,并对调频退出时机施行有序分散化的策略,既充分挖掘了风电机组参与系统调频的潜力,又有效降低了风电机组参与调频所带来的负面效应。

用于短期电网调度的风电场储能容量估算法

为实现电网对风电场出力的短期调度,提出基于正态分布的风电场储能系统容量估算法。通过对比历史风电出力样本数据与电网调度数据值,运用统计的方法分析样本区间内功率偏差值的正态分布参数。并提出采用储能经济因子对储能效果加以评估。以新疆某中型风电场长期统计的风速、实际风电出力和预报出力数据为样本数据,运用所提方法对其所需储能容量进行估算。仿真结果表明,所得储能容量能使风电场满足调度出力要求,且其小于风电场容量的10%,验证了所提方法的经济性和可行性。

大型并网风电场储能容量优化方案

为减少大型并网风电场输出功率不稳定给系统频率造成的较大影响,在Matlab平台中仿真了风电机组输出功率随风速变化的规律,以风电机组输出功率特性函数和风电场风速概率分布函数为基础,提出了一种计算大型风电系统长时间稳定输出所需储能容量的方法,并用实际风电场数据验证了该方法的有效性,以期为风电场设计提供决策参考。

含大型风电场的电力系统调峰运行特性分析

针对风电场出力随机性、难预测性的特点建立了风电调峰容量需求模型,基于well-being分析原理,采用基于Kantorovich Distance(KD)的forward场景削减技术选取典型风电出力场景对其随机性建模。基于调峰容量需求模型,提出了一种实用的含大型风电场的电力系统调峰运行特性分析方法,定量分析了风电场接入对系统调峰容量需求及运行特性等方面的影响。应用本文模型对一个典型算例系统进行了接入风电后的调峰运行特性模拟计算及分析,结果证明本文所提方法,其计算结果精度较高,且大大降低了计算的复杂性,有利于系统规划人员从整体上直观、清晰地分析风电对系统调峰压力及运行特性的影响,便于应用于工程实际。

提高电力系统惯性水平的风电场和VSC-HVDC协同控制策略

针对海上风电场采用柔性直流输电(voltage source converter based high voltage DC,VSC-HVDC)接入陆上电网的技术方案,提出利用直流电容和风电机组转子动能去模拟同步发电机惯量的协同控制策略。通过网侧换流器直流电压滑差控制,在电网扰动下,直流电容能相应地吸收或释放能量。两端VSC交流系统频率通过风场侧换流器(wind farm VSC,WFVSC)的变频控制实现人工耦合,可以省去两端换流站之间的通信。为响应WFVSC的频率变化,风电机组功率控制器将调整功率指令值,使转子转速相应变化。通过一系列协同控制,海上风电场将参与电力系统频率控制。在允许的风电机组转速和直流电压变化范围内,该协同控制策略可提供大范围的惯量,增加系统稳定性。通过对负荷变化、风速变化和交流系统故障等工况的仿真,验证所提控制策略的有效性。

含风电场的双层电源规划

按分解协调的思想,建立了考虑调峰、调频及环保约束的净收益最大化双层电源规划模型,计及了上网电价差异对电源规划的影响。上层规划为电源投资决策问题,以发电商总收益最大为目标函数,决策变量是待选电厂的投建时间和台数以及已有电厂的退役时间和台数;下层规划为生产优化决策问题,其又可以分成机组检修计划和随机生产模拟2个子问题,决策变量分别为发电机组的检修时段以及各发电机组在负荷曲线上的运行位置。提出了模拟植物生长算法、最小累积风险度法、等效电量频率法相结合的求解方法。算例结果验证了所建模型的合理性和有效性。