电网故障下含直驱风电机组的电力系统频率动态响应分析

电网受扰后基于模型解析的频率响应分析对电力系统安全评估与紧急控制具有重要意义。电网发生故障时,直驱风电机组(DDWT)并网点电压幅值跌落引发控制器暂态响应,同时电压相位突变引发锁相暂态响应,锁相暂态响应又通过变流器控制传导产生功率控制误差,可能导致现有以负荷突变场景为对象的频率特性分析产生较大偏差。为此,提出了电网故障下DDWT锁相偏差的量化方法;解析了锁相偏差经DDWT变流器控制的传导路径,提出了锁相暂态响应导致DDWT功率控制误差的机理及其计算方法;建立了电网故障下含DDWT的电力系统频率响应模型,提出了锁相暂态响应影响下系统频率变化率和最大频率偏差的计算方法,解析了电网故障下考虑DDWT功率控制误差的电力系统频率动态响应特性,并通过算例分析验证了所提方法的有效性。

新型漂浮式海上风电基础概念设计和初步动力响应分析

提出适用于南海200 m水域的新型漂浮式风电基础概念设计,并基于NREL 5 MW风力涡轮机对新型基础进行性能分析。采用莫里森方程和势流理论计算水动力载荷,并利用ANSYS/AQWA软件建立风力机结构与水动力数值模型,探究其在频域范围内的水动力性能,计算分析漂浮式风力机在不同波况下的时域动力响应。结果显示,该基础的固有周期能较好地避开常见波浪的周期范围,避免引起共振,水动力性能良好,在南海某海域1年、20年和50年一遇的3种波况下基础的运动响应均满足规范要求,能保证漂浮式风力机在极端海况下的安全性和稳定性。

风电机组无功动态响应性能评价

风电场无功对电网有较大的影响,目前相关标准对风电场动态无功响应时间、持续时间提出了要求,却未对风机的无功动态响应性能提出要求,因此,提出风机无功功率响应时间、响应能力和支撑能力指标,实现对风电机组无功动态响应性能的定量评价。利用PSD-BPA仿真及实际风电场电压、无功运行监测数据对风机无功功率支撑能力指标的有效性进行验证。该指标值与风机暂态电压稳定极限值正相关,风机电压跌落深度越小,风机发出无功持续时间越长,该值越大,说明风机无功支撑能力越强。

风电汇集系统暂态电压安全分析及其控制策略

保障风电汇集系统(WPCS)的暂态电压安全对于风能资源的大规模集群式有效开发利用具有重要意义。首先,以"三北"地区某实际风电场群为研究对象,通过分析暂态故障运行状态下风电机组和无功补偿设备的动态响应特性,详细探讨了风电汇集系统暂态电压安全事故的主要成因和发展过程;在此基础上,提出了一种风电汇集系统暂态电压安全控制策略。仿真结果表明:通过协调双馈风电机组和静止无功补偿设备在暂态过程中的控制配合,能够减缓系统遭受大扰动后的电压波动,从而抑制由于无功过剩所引发的风电机组连锁脱网事故。通过采取文中所提的电压安全控制策略,可以有效提高大规模风电并网系统的安全稳定运行能力。

风载荷对不同海上浮式风力机平台运动特性影响对比研究

为探究风载荷对不同漂浮式风力机平台影响,分别建立基于单桩式、半潜式及驳船式3种平台的漂浮式风力机整机模型,结合叶素-动量理论、辐射/绕射理论及有限元方法,研究不同工况下3种典型漂浮式风力机平台的时频运动响应特性。结果表明:仅波浪载荷作用时运动响应标准差均小于风波耦合作用时,风载荷使平台偏离平衡位置明显,且对各平台纵荡响应较其余响应更敏感;对于纵荡响应,风载荷使3个平台固有频率处响应峰值均有所增大;对于垂荡响应,风载荷使单桩式平台固有频率处响应峰值有所减小、半潜式平台垂荡-纵摇耦合处及固有频率处响应峰值有所增大,但对驳船式平台垂荡响应可忽略不计;对于纵摇响应,风载荷使单桩式平台固有频率处响应峰值有所增大,并使半潜式平台发生纵荡-纵摇耦合运动,但对驳船式平台纵摇响应影响甚微;风载荷是平台发生耦合运动的关键因素;波浪载荷是影响驳船式平台垂荡及纵摇响应的关键因素。

DVR在风电机组LVRT中的应用及其无功补偿能力

针对动态电压补偿器(DVR)在风电机组低电压穿越(LVRT)的应用进行了讨论。为了提高DVR的动态响应能力,设计了双闭环控制策略,并引入电网电压前馈项,以避免补偿电压的过冲;电压外环采用了谐振控制器,可在静止坐标系下实现无静差跟踪,省略了坐标变换以及锁相环节。同时详细分析了DVR在正常运行与跌落情况下无功补偿能力,通过对其补偿方式的分类与比较,指出了其无功补偿能力受到限制的原因。在Matlab/SIMULINK中构建仿真模型,仿真结果表明,所设计的控制策略能够迅速精准地补偿定子电压,减小了定子电流冲击,平稳地实现了机组的低电压穿越。最后在110 kW的电机平台上进行了实验验证。

防止风电机组连锁脱网事故的动态无功备用需求分析

对风电机组连锁脱网事故的调查表明,双馈风电机组触发Crowbar保护进入低电压穿越区需要从电网吸取大量的无功,造成风电场电压进一步恶化。文章对大型风电场的无功需求和运行状况进行深入分析,推导出大型风电场的临界运行电压和无功备用容量计算公式,为风电场无功电压协调控制提供理论支撑。采用酒泉风电基地的实际算例进行了仿真分析,结果表明,风电场机组处于鼠笼异步运行状态时需要从电网吸收大量无功,同时风电场周边场站电压下降明显;而当动态无功备用容量达到临界动态无功备用容量及以上时,则能有效地改善风电场相关站点的电压分布。

新型半潜式浮式风机在不同流速下的动力响应特性研究

本文提出一种适用于50~120 m水深的新型半潜式浮式风机,用频域法研究浮式平台的水动力特性,通过建立风机-塔筒-浮式平台-系泊系统全耦合分析模型,考虑二阶差频波浪力作用,对其开展风、浪、流联合作用下的时域分析,重点分析不同流速条件下新型半潜式浮式风机耦合动力响应特性。分析结果表明:新型半潜式浮式风机结构设计合理,其固有周期能较好地避开波浪能量密集的周期范围,有效避免了共振发生;风浪条件一定的情况下,流速增大将使新型半潜式浮式风机的最大纵荡响应和锚链拉力显著增大,但对纵摇和艏摇响应有一定程度的抑制作用。流速变化对基础垂荡运动和发电功率影响较小。

动态无功补偿装置抑制风电汇集地区高电压问题的可行性研究

当大规模风电集中接入弱端电网时,短路故障后会出现高电压的问题,造成风电机组因不具备高电压穿越能力而脱网。运行经验表明高电压穿越问题已经成为风电机组脱网的主要原因。文章从上述问题出发,探索通过风电场普遍配置的动态无功补偿装置抑制高电压的问题,在BPA中搭建了不同动态响应时间的SVC/SVG模型,并对比分析了不同响应时间、不同容量、不同类型的无功补偿装置对抑制高电压的效果。仿真结果表明,适当容量满足标准要求的动态无功补偿装置可以很好地抑制短路故障后的高电压问题,对于提高风电汇集地区无功电压安全水平有明显效果。

不规则波作用下风机单桩基础结构响应分析

借助于Matlab软件和商业有限元软件Ansys,对单桩固定式基础风机在波浪荷载作用下的响应进行分析。对不规则波浪进行了数值计算,模拟了作用于基础的波浪力时程变化。采用随机波浪力的谱分析方法,用Mat-lab软件计算了作用于基础的波浪力谱值,并采用功率谱法,对结构在波浪荷载作用下的随机振动进行研究,获得整体结构的位移、速度及加速度功率谱密度。最后,对波流共同作用下的单桩固定式基础风机进行了静力分析和瞬态动力分析。

海上漂浮式风力机Spar平台动态特性分析

建立基于Umaine-Hywind Spar平台的漂浮式风力机整机模型,针对平台进行水动力特性分析,主要研究结构的时域动态响应和频域波浪力响应。利用有限元软件ANSYS中水动力计算模块,考虑风、浪、流联合载荷,得到风力机平台的时域和频域特性,通过平台随时间的位置变化幅度分析了平台的动态响应特性;分别研究了各波浪力成分对结构运动的贡献,并探讨了波浪力随频率的变化趋势。结果表明:结构在低频波浪作用下容易出现较大响应,包括幅值响应算子和所受波浪力;在主要波浪力成分中,附加质量力峰值最大;结构在外界载荷作用下平台的偏转运动比水平位移运动更显著。

不同类型漂浮式风电场内机组塔基载荷研究

构建基于NREL 5 MW风电机组的海上固定式风电场和不同类型的漂浮式风电场,考虑不同类型风电机组尾流特性、平台漂浮特性的差异,在不同工况下对风电场内机组动力学响应进行仿真计算。通过时域分析与箱线图分析,对风电场内各位置处机组在风、浪、尾流联合作用下的塔基载荷进行对比研究。结果表明:在相同工况下,Spar式风电场内机组风轮与平台位移值、塔基载荷在来流方向上最大;在中低风速下,风电场内机组塔基载荷相差较大;高风速时,塔基载荷相近;随着风速的增大,漂浮式机组塔基载荷呈先增大后减小的规律。

基于TMS320F28335的风机并网变流器低电压穿越实现方法

以电压型PWM并网变流器数学模型和前馈解耦控制为基础,论述了并网变流器在LVRT期间的控制方法和逻辑过程。以TMS320F28335为核心,结合风电机组并网运行特点,进行了大功率并网变流器系统设计。最后在电网跌落模拟装置上进行了LVRT期间的动态无功补偿实验。实验结果表明,硬件系统低电压穿越期间运行可靠,无功电流控制静态和动态性能良好。

基于DFIG风电机系统频率波动特征的惯性动态响应控制策略

现有双控风电机组在发电时的频率往往与电网频率解耦,致使风电机组本身缺乏自主参与电网调频的能力,对此提出一种基于DFIG风电机系统频率波动特征的惯性动态响应控制策略。该策略通过在风电机组控制环节添加频率-功率控制模块,使风电机组能有效针对电力系统频率的波动输出功率,达到控制风机功率的目的,在一定程度上避免了电力系统内部频率突变使电网能量传输失衡的现象。仿真结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。

超大型和大型半潜浮式海上风力机动力响应对比

以超大型风力机(DTU 10 MW)为研究对象,对现有的大型(NREL 5 MW)无撑杆半潜浮式风力机支撑平台进行放大设计,用于支撑超大型风力机,基于气动-水动-伺服-弹性全耦合计算模型,根据设定的典型工况,使用FAST软件对超大型和大型无撑杆的半潜浮式风力机系统进行时域耦合分析,并依据计算结果对超大型和大型浮式风力机系统的运动响应和结构动力反应等特性进行对比分析。研究发现:半潜浮式风力机大型化后,气动荷载效应对风力机系统的激励作用更为突出,使得浮式平台运动由风荷载激励的低频共振反应比例增大,波频运动比例减小,这也导致由浮式平台低频运动激励的锚链张力反应增大。此外,高倍的飞轮转动频率对大型半潜浮式风力机叶片、塔架结构的激励作用较超大型半潜浮式风力机更为显著。

基于有功响应的双馈型风电场实用化等值方法

建立和实际风电机组暂态响应特性一致的详细暂态模型,并对其进行合理有效的分群是风电场等值建模需要解决的两个重要问题。该文基于对大量实测数据的拟合及与厂家的沟通分析,建立了具备斜率功率恢复特性的低电压穿越模型,通过低电压穿越试验验证了模型的有效性。在此基础上,对风机在不同风速下的并网点有功暂态响应特性和风电场在典型风速分布下的等值效果进行了研究,提出了基于有功响应的风电场实用化等值方法。采用实际风电场的多组风速数据,对等值前后的并网点有功、无功、电压和电流的故障响应特性进行了对比分析。结果表明,文中方法具有良好的等值效果,对风速数据和故障点位置具有良好的适应性。

基于不同CFD建模复杂度的垂直轴风力机气动性能分析

通过将计算流体力学(CFD)与实验结果比较,研究2D URANS、2.5D URANS、2.5D LES和3D URANS CFD建模技术在风力机气动性能分析中的准确性和可行性。与SST k-ω方法相比,LES模型可更准确地模拟垂直轴风力机在动态失速工况下的气动性能。2.5D LES模拟结果的显著改善表明:叶尖涡的忽略可能不是2D URANS和2.5D URANS过高预测功率输出的主要原因,而可能是由其方程存在的内部缺陷导致的。考虑到模型的计算精度和计算成本,2.5D LES可被认为是研究风力机气动性能的一种有效方法,特别适用于垂直轴风力机启动工况的仿真。

二阶波浪力下超大型半潜浮式风力机动态响应分析

针对DTU(Technical University of Denmark)10 MW风力机,使用FAST软件对典型海况下不同水动力分量作用下的半潜浮式风力机系统进行全耦合分析,包括仅一阶波浪力作用、一阶波浪力和采用Newman近似计算的二阶差频波浪力作用、一阶波浪力和全域二次传递函数(quadratic transfer functions,QTFs)计算的二阶差频波浪力作用、一阶波浪力和全域QTFs计算的二阶和频波浪力作用以及一阶波浪力和全域QTFs计算的完整二阶波浪力作用,以对比分析二阶差频、和频波浪力对超大型半潜浮式风力机动态响应的影响;基于风力机结构疲劳计算理论,分析二阶差频和频波浪力对风力机结构疲劳破坏的影响。研究发现:在极端海况下,二阶差频波浪力对平台运动响应,二阶差频及和频波浪力对半潜浮式风力机结构荷载和疲劳破坏均产生显著影响。此外,Newman近似方法明显低估二阶差频波浪力对半潜浮式风力机动态响应的影响。

环境荷载作用下海上浮式风电结构动力响应研究

针对半潜式海上浮式风电结构,建立结构整体有限元模型,通过对其进行水动力分析以及风浪作用下整体结构时域动力响应分析,研究不同结构参数,如立柱间距、立柱直径、结构吃水以及是否有压水板对结构动力响应的影响。分析结果表明:立柱间距与压水板对于结构水动力影响较大,结构时域响应受立柱间距、立柱直径及压水板影响明显。

海上风电场黑启动系统的风柴协同控制策略

在风电平价上网政策的推动下中国海上风电场建设加速,未来大规模的海上风电场将会成为沿海地区局域电网的重要供电电源。当沿海局域电网发生大停电时,海上风电场若具备作为黑启动电源的能力将显著加快电网恢复过程。为启动沿岸无黑启动能力的火电机组,文中提出了利用海上风电场配置的小容量辅助柴油发电机作为支撑电源启动海上风电机组,后经主变压器和高压海底电缆向陆上火电机组供电的黑启动方案。为改善黑启动系统的频率调节能力以及在投入高压海底电缆时维持系统电压稳定,分别提出一种风柴协同调频控制和一种考虑柴油发电机功率极限的动态无功补偿控制,后者利用了风机网侧变流器(WGSC)作为静止无功发生器(SVG)运行。最后在PSCAD/EMTDC上依据实例搭建了海上风电场黑启动模型,验证了所提方案及策略的可行性和有效性。