A Review of Technical Requirements for High Penetration of Wind Power Systems

Renewable portfolio targets have been established in many regions around the world. Regional targets such as 20% renewable energy by year 2020 are not uncommon. As the levels of wind power penetration increase, there are many power system impacts. This work investigated possible challenges and technical requirements for high penetration of wind power systems. The main issues to discuss covers reserve determination, wind power forecasting, unit commitment with appropriate generation portfolio, wind turbine and storage system technical development, demand response management, electricity market design, and frequency stability.

Research on the Critical Buckling Pressure of Bucket Foundations with Inner Compartments for Offshore Wind Turbines

In the process of suction penetration of bucket foundations with inner compartments for offshore wind turbines,most researches focus on soil seepage failure and soil plugs,while the buckling of foundations is rarely investigated.Therefore,theoretical calculation methods for critical buckling pressures of the skirt and bulkheads of the bucket foundation are first presented according to the stability theory of a cylindrical shell and the small deflection theory of a thin plate,respectively.Furthermore,two types of models with and without considering the skirt-soil interaction are developed for the calculation of critical buckling pressure of the bucket foundation.Taking a practical project as an example,theoretical and numerical methods are used to obtain the critical buckling pressures of a bucket foundation.In this work,the theoretical method and the finite element model considering the skirt-soil interaction for calculating the critical buckling pressure of bucket foundations are firstly proposed.The results can help to optimize the design process of offshore wind turbine foundations and improve the safety of offshore wind power systems.

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.

砂土中桩靴插桩对临近筒型基础的影响研究

通过物理模型试验和有限元法研究砂土中风电安装船桩靴插桩对临近筒型基础的影响。首先通过物理模型试验,验证有限元模型的合理性,初步确定桩靴在砂土中贯入的影响范围大致在2.5倍桩靴直径。基于有限元CEL方法进一步研究桩靴和筒型基础的净距与桩靴直径之比(S/D)对筒型基础在位稳定性的影响。结果表明:筒型基础的倾斜率、最大竖向位移以及筒壁应力随着S/D的增大而逐渐减小,插桩过程中,靠近桩靴一侧的筒裙和分舱板应力远大于远离桩靴一侧的筒型基础应力,且筒顶的土压力远小于筒底土压力。

避免频率二次跌落的风储联合调频控制策略

风电高渗透电力系统中,风机释放转子动能参与频率响应改善系统频率稳定性,但存在欠响应支撑效果不足或过响应导致系统频率二次跌落现象。储能响应不受时空因素影响,通过整定储能响应参数,可提升风电频率响应的有效性。该文首先基于统一结构模型分析系统频率二次跌落与风机控制策略之间的作用机理。其次,整定充分利用风机频率响应能力及避免系统频率二次跌落的风电机组频率响应系数。然后,引入频率稳定裕度概念,并基于关系矩阵整定的储能最小出力,等效扩展系统频率稳定裕度。基于以上分析,综合考虑时空因素对系统频率响应影响,提出一种多时间尺度下避免频率二次跌落的风储联合调频控制策略。最后,基于DIgSILENT搭建风电高渗透4机4区系统进行仿真验证。结果表明,所提控制策略在不同风速下兼顾风机频率响应能力,同时避免频率二次跌落,提高全网频率安全稳定裕度。

数字化波浪补偿分离式液压钻机的研制

基于能源绿色、风力大等优势,海上风力发电技术近年来越来越受到重视,正由浅海向深海发展,且小型发电机逐步被大功率发电机取代。海上风力发电中风电场的选址、风机的基础设计、桩基施工、地层测试等,都离不开钻探和井内静力触探技术。为了满足海上勘察钻机的要求,研发了数字化波浪补偿分离式液压钻机,主要是在数字化、自动化、回转、波浪补偿等功能,以及模块化设计、制造工艺等方面进行了创新。通过理论参数核算、海上应用测试、深海生产施工验证,证明该钻机不仅可满足使用需求,并且比常规钻机更加方便管理、高效安全,还降低了钻探的辅助成本。

A review of Danish integrated multi-energy system flexibility options for high wind power penetration

The current status of wind power and the energy infrastructure in Denmark is reviewed in this paper.The reasons for why Denmark is a world leader in wind power are outlined.The Danish government is aiming to achieve 100%renewable energy generation by 2050.A major challenge is balancing load and generation.In addition,the current and future solutions of enhancing wind power penetration through optimal use of cross-energy sector flexibility,so-called indirect electric energy storage options,are investigated.A conclusion is drawn with a summary of experiences and lessons learned in Denmark related to wind power development.

砂土中筒型基础临界吸力计算方法研究

开展砂土中筒型基础吸力沉贯的系列模型试验,测试筒型基础下沉过程中吸力的发挥过程,并通过反分析得出筒内外土体渗透系数比的变化规律。结果表明:当筒内土体出现管涌现象时,筒内负压会瞬间降低;随着沉贯深度的增加,临界吸力值也逐渐增大;此外,筒内外土体的渗透系数比呈指数函数型增长;假设在沉贯过程中土体的渗透系数不变,则临界吸力的预测结果均小于实测值。根据试验结果改进砂土中筒型基础沉贯过程临界吸力的计算公式,并进行工程案例验证。

计及电解铝高耗能负荷调控和火电深调的高比例风电系统分层优化策略

对于高比例风电系统,风电出力典型的随机波动性和反调峰特性极大增加了其调峰负担,火电机组深度调峰虽已常态化,但系统调峰资源仍显不足,弃风问题有待解决。提出利用电解铝高耗能负荷(electrolytic aluminum energy-intensive load,EAL)作为新的调峰资源参与电网调度。首先,根据电解铝高耗能负荷的真实生产调节特性,耦合电流、温度及产量等多种因素,建立电解铝负荷参与电网调峰的精细化调节模型;然后,结合火电机组深度调峰模型,以系统弃风量最小和运行成本最小为目标,建立电解铝负荷和火电深调联合调峰的分层优化模型;最后以某实际区域系统为例,采用商业优化软件GUROBI进行求解分析,验证了所提方案可大幅减少系统弃风量,改善系统调峰运行经济性,并优化了火电机组深度调峰结构和发电经济性。

国内外静力触探液化判别方法对比检验

静力触探试验(cone penetration test,简称CPT)具有独特优势,使其成为了海上风电工程的主要勘察方法。海上风电工程位于液化易发区,因此研究基于CPT液化判别方法的适用性和可靠性就成为亟待解决的突出问题。详细介绍了4种国内外具有代表性的CPT液化判别方法,并采用理论分析及大量CPT液化实测数据检验,对现行的美国国家地震工程研究中心(National Center for Earthquake Engineering Research,简称NCEER)方法、《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)方法(岩规法)、《软土地区岩土工程勘察规程》(JGJ 83-2011)方法(软土规程法)和《建筑工程抗震性态设计通则》(CES 160:2004)方法(通则法)等4种方法进行对比检验,提出了4种主要方法的评价结果。结果表明:NCEER法液化判别临界线在低烈度区存在不合理的回弯现象,在高烈度区存在临界值增大过快的问题,在Ⅶ度区深层偏于危险,在Ⅸ度区深层明显偏于保守,在Ⅶ、Ⅸ度区浅层和Ⅷ度区判别结果较好;岩规法液化判别临界线存在很大的问题,液化判别临界线随深度递减,液化判别时在Ⅶ度区浅层偏于危险,在深层明显偏于危险,在Ⅷ、Ⅸ度区浅层偏于保守,在深层偏于危险;软土规程法液化判别临界线在土层深度约6 m处存在不合理的回弯现象,在Ⅶ度区浅层判别较好,在Ⅸ度区浅层偏于保守,在不同烈度区深层均偏于危险;通则法液化判别临界线是符合目前认知的,在不同烈度区和深度下的判别效果是最好的。研究成果可为相关规范修订和工程应用提供参考与支持。

海上风电场吸力筒基础沉贯特性研究

吸力筒沉贯特性是影响其工程应用的重要因素。基于海上风电场吸力筒导管架基础筒体下沉过程的实测数据,研究真实海床地基条件下吸力筒沉贯阻力的CPT计算方法的可行性以及DNV规范推荐的土体沉贯阻力的经验系数的适用性,分析黏土层和砂土层中沉贯阻力的组成和负压下沉过程中的筒内土塞机制。研究结果表明:CPT计算方法能够较精确地计算吸力筒沉贯阻力,DNV规范推荐的经验系数高估了海床地基中淤泥质土、粉质黏土层的黏土经验系数k_(f)(z)以及砂砾、中砂、粗砂层等砂土经验系数k_(p)(z);负压下沉过程中,筒内土塞体积的发展规律与海床土层分布及土体物理力学性质密切相关。

基于CPTU解释黏性土不排水抗剪强度方法研究

黏性土的不排水抗剪强度Su是海上风电工程设计中重要的力学参数之一,孔压静力触探测试(简称CPTU)无法直接测得黏土强度,但其所提供的锥尖阻力、侧摩阻力以及孔隙水压力与土体的不排水抗剪强度存在映射关系,国内外基于CPTU已经演化出多种解释土体不排水抗剪强度计算公式。基于滨海某海上风电项目,开展了原位CPTU试验、三轴不固结不排水(UU)、三轴固结不排水(CU)、固结快剪(CQ)以及船上微型十字板剪切(MVST)试验,对已有计算公式的适用性进行了校验,分析发现需根据区域场地情况对其中经验系数进行相应的调整以提高计算精度。研究基于CU试验结果,结合工程实例对原有公式中经验参数进行优化修正,最后通过误差分析,验证了修正预测模型的准确性与合理性,利用改进后的修正预测模型可使江苏地区海域黏性土不排水抗剪强度的计算得到更准确的结果。

海上风电经柔性直流送出系统高频振荡分析及抑制策略

近年来,柔性直流输电已经是风电深远海开发的有效方案,随着大量用于远海风电并网的柔性直流输电系统不断投运,高频振荡现象在实际工程中频繁出现。然而,现有研究大多聚焦于新能源交流并网系统或异步分区电网交互所产生的高频振荡现象,针对海上风电经柔性直流送出系统的高频振荡研究尚不充分。并且现有模块化多电平换流器(MMC)高频段阻抗模型通常忽略换流器中、低频段特性,使得投入高频振荡抑制策略对中、低频阻抗特性的影响无法被准确揭示。为此,本文首先考虑系统链路延时的影响,基于谐波状态空间建立MMC全频段阻抗模型。在此基础上,分析海上风电经柔性直流送出系统高频振荡机理,并设计控制参数优化策略。最后,基于Matlab/Simulink搭建海上风电经柔性直流送出系统电磁暂态仿真模型,并验证本文所建阻抗模型的精确性以及高频振荡抑制策略的有效性。

高应变动测技术在如东海域大直径钢管桩基工程中的应用研究

基于江苏如东海域三根大直径敞口钢管桩的初打和复打高应变动测试验数据,提出了适用于该海域的桩端折减系数η的推荐值和承载力恢复计算公式,为该海域大直径钢管桩基础的承载力评估提供了技术依据。敞口钢管桩高应变试验数据显示,试验桩侧阻力的恢复系数都远大于端阻力的,且桩侧阻力随时间增长显著,但端阻力的增长却很小。基于此,推荐如东海域大直径敞开钢管桩的桩端阻力折减系数η取0.05进行估算。此外,通过桩基土体恢复和增长机理探讨,提出桩基承载力恢复计算公式,且验证误差在10%以内。

远海岸海上风电输电方式技术经济分析

全球海上风电呈现远海化、规模化、集群化趋势,远海风电输电方式选择至关重要。考虑海上风电场规模、离岸距离等因素,采用等年值法,结合14种远海风电典型场景,从技术性、经济性两个维度,对高压工频交流、柔性直流、低频交流等3种海上风电输电方式进行对比分析。研究表明,工频交流输电技术在中小容量、中远距离海上风电送出应用场景具有技术、经济优势,柔性直流输电技术应用于大容量、远距离海上风电送出场景时经济优势凸显。同时,对35、66 kV交流汇集-柔直送出两种方案进行比较,指出66 kV汇集无海上升压站-柔直方案更具经济性,进一步缩短了交直流输电方式等价距离,并给出典型场景海上风电输电方式选择建议,提出了远海岸海上风电送出方式选择指导意见。

风电接入海上换流站的交流汇集出线高速保护

风电接入海上换流站的交流汇集出线双端均是电力电子电源,短路电流均呈现幅值受限和相角受控的特征,导致差动保护动作性能下降,存在拒动的风险。针对上述问题,分析了柔直换流站和风机变流器在故障暂态期间的故障特性,证实了区内故障线路两侧短路电流频谱特征存在很大的差异,基于此,利用时频能量系数衡量线路两侧短路电流的时频特性差异,提出适用于风电接入海上换流站交流汇集出线的高速保护原理。该时频能量系数综合幅值、频率和相角差异,具有较强的耐受过渡电阻和系统噪声的能力。所提保护衡量故障暂态的故障特性差异,理论上可以在5 ms内快速可靠识别区内外故障,硬件在环实验结果验证了所提保护的有效性。

考虑风速波动性的海上风电渗透率极限评估方法

大规模具有间歇性、波动性且难以预测的风电接入电网后会给电网的电压和频率稳定性带来一系列挑战,因此如何评估已有区域电网的最大风电极限渗透功率成为了一个重要问题。现有研究大多分析了不同风电渗透率对电网电压和频率稳定性的影响,而缺乏对海上风电渗透率极限的评估。为此,考虑风速波动性的影响,提出了一种针对已有区域电网的海上风电渗透率极限评估方法。首先,通过研究海上风电场静态模型分析海上风电场功率输出特性;然后,通过构建含海上风电场和同步发电机的电网等效模型分析不同风电渗透率下并网点(Point of Common Coupling, PCC)电压与频率特性;最后,针对风速波动引起的电网电压和频率波动,提出考虑风速波动性的海上风电渗透率极限评估方法,并通过算例验证所提方法的有效性。随着海上风电渗透率增加,PCC电压降低速度和幅度也增大,加剧了有功波动对PCC电压的不利影响。此外,高渗透率条件下,电力系统可能面临有功功率缺额问题,造成频率偏差加剧。电压闪变和电压偏差在高渗透率时也随之增加,导致电能质量下降,频率合格率降低。

面向低成本轻型化直流耗能装置的滞环控制策略

直流耗能装置是海上风电经柔直并网系统中的重要装备,用于受端电网故障时吸收风场馈入的盈余功率防止系统过压。该文针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型和混合型两种工程主流耗能装置技术路线,提出一种通用的直流母线电压滞环控制策略,可显著降低耗能阀内部电容、电阻及绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)的电气应力与选型规格参数,实现装备低成本和轻型化设计。建立融合耗能装置的柔直系统直流侧等效数学模型,揭示控制参数对系统暂态过电压和耗能装置热应力的影响机理,给出控制参数的详细设计方法。最后,搭建±250 kV/1 500 MW海上风电并网系统模型验证上述内容的正确性,仿真结果表明,所提控制策略具有良好系统特性,MMC型耗能装置无需额外配置37%的全桥子模块,电容值降低75%;混合型耗能装置内部电阻发热降低97.7%,不再需要水冷散热装置。

±550kV直流气体绝缘金属封闭开关设备长期带电试验研究

现有海上风电送出换流平台的直流侧均采用常规敞开式设备及电气连接布局,设备占用空间大。为了有效减小平台面积及质量,采用直流气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)替代原有敞开式设备。直流GIS绝缘件长期运行在单极性直流电压下,表面会产生电荷积聚,从而改变沿面电场分布,降低绝缘子沿面闪络电压。目前,暂无关于直流GIS的国际、国内标准,缺乏系统、全面的试验指导,开展长期带电试验考核可有效验证直流GIS的可靠性、稳定性。本文围绕长期带电试验方案及试验样机展开研究,基于多物理场耦合仿真结果,提出长期带电试验方案,并设计样机形态。

Power hardware in the loop validation of fault ride through of VSC HVDC connected offshore wind power plants

This paper presents the power hardware in the loop(PHIL)validation of a feed forward DC voltage control scheme for the fault ride through(FRT)of voltage source converter(VSC)high voltage DC(HVDC)connected offshore wind power plants(WPPs).In the proposed FRT scheme,the WPP collector network AC voltage is actively controlled by considering both the DC voltage error and the AC current from the WPP AC collector system which ensures fast and robust FRT of the VSC HVDC connected offshore WPPs.The PHIL tests were carried out in order to verify the efficacy of the proposed feed forward DC voltage control scheme for enhancing the FRT capability of the VSC HVDC connected WPPs.The PHIL test results have demonstrated the proper control coordination between the offshore WPP and the WPP side VSC and the efficient FRT of the VSC HVDC connected WPPs.