风电场接入系统方案研究

在“碳达峰、碳中和”的目标下,清洁可再生能源占所有能源的比重将越来越大,其中风力发电作为成熟的技术之一扮演重要的角色。为解决风电场可靠地并入电网,实现清洁能源远距离输送和优势资源互补,提出风电场接入系统方案细化。通过一次接入方案中增加承载力计算风能消纳、计及储能的短路电流、新能源多场站短路比等计算和分析,减轻风电能源不稳定性对电网的影响,实现电网安全稳定运行,充分发挥风电清洁属性;最后将上海某陆上风电场接入系统作为应用实例。

考虑风荷不确定性的电源无功电压调差系数整定方法研究

随着风电场并网容量的不断增长,作为主要无功来源的火电机组将被大量取代,电网无功电压问题日益凸显,风电场为电网提供无功辅助服务已经成为发展趋势。无功电压调差系数是风电场与火电机组响应电网无功电压变化的重要参数,对其合理整定对保证电网电压水平具有重要意义。文中在计及风电出力与负荷不确定性的基础上,建立了以改善电网电压水平为目标,考虑电网运行约束的电源无功电压调差系数整定模型,并采用鲸鱼群算法对模型进行求解。对基于IEEE-39节点系统构建的高风电渗透系统进行仿真,结果表明各电源采用整定后的无功电压调差系数,电网电压越限概率减小、电压波动水平降低。

用于大容量风机直流并网的二重化三电平软开关变换器

随着海上风电场容量的扩大和离岸距离的增加,避免了无功电压问题的直流风电场得到了日益广泛的关注。直驱风机作为海上风电开发的主流机型,通过DC/DC变换器的设计可实现直流并网。首先,依据机组直流并网需求提出了一种二重化三电平软开关DC/DC变换器方案,在减小变换器体积的同时有效降低了变换器的开关损耗;其次,在详细分析子变换器工作原理的基础上给出子变换器重要参数的设计方法;然后,依据DC/DC变换器的控制目标,给出了其在稳态和故障阶段的控制策略,实现了机组的安全稳定高效运行;最后,通过仿真算例验证了所设计的DC/DC变换器拓扑的优越性和控制策略的有效性。

一种基于二重移相变换的大容量海上直流风机及控制技术

海上风电场采取直流汇集方案,相较于交流汇集无需笨重的工频变压器,避免交流电缆带来的过电压问题,系统效率更高。直驱风机作为海上风电场的主流机型,通过直流转直流电源(DC/DC)变换器的设计和机组控制策略的改进可实现直流并网。首先依据机组直流并网需求提出一种二重化移相三电平DC/DC变换器方案,优化设计双占空比调制策略,分析子变换器功率传输特性;其次建立直流风机的控制策略,实现机组正常工作时最大风能跟踪目标,并且保障故障期间机组的安全稳定运行;最后通过仿真算例验证所设计DC/DC变换器拓扑的可行性和直流输出型直驱风机控制策略的有效性。

用于全直流海上风电系统的单相混合型MMC直流变压器及其控制策略

全直流海上风电场是未来发展大规模远距离海上风电的重要手段之一,然而高变比大容量的直流变压器作为全直流海上风电场中的关键设备,其拓扑结构和控制方式仍有待深入研究。为此,提出了一种单相混合型模块化多电平换流器型直流变压器(single-phase hybrid modular multilevel converter DC transformer,SHMMC-DCT),可以通过最近电平逼近控制实现超高变比的直流升压,并且令子模块电容电压在较低的开关频率下保持均衡。故障处理方面,提出混合子模块与耗能电阻结合的方式清除故障电流,可以代替价格高昂的直流断路器。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建了采用SHMMC-DCT的全直流海上风电系统的仿真模型。结果表明,SHMMC-DCT不仅能够可靠高效地送出风电场直流功率,而且可以在高压直流侧短路时快速阻断电流,验证了SHMMC-DCT拓扑及其控制策略的可行性。

基于海上轻型站的海上风电场电气系统博弈优化

随着海上风电场规模不断扩大,离岸距离变远,传统的集中式海上变电站面临安装容量过大、建设困难等问题。针对以上问题,引入一种海上轻型变电站,提出基于海上轻型变电站的海上风电场电气系统博弈优化方法。建立基于海上轻型站的电气系统全寿命周期成本模型,提出适用于轻型变电站选址的改进k-medoids聚类方法,对不同电压等级的电气系统进行优化,并基于组合权重法和混合策略对规划方案进行多方博弈评估。以江苏省某海上风电场为例进行分析,结果表明,基于海上轻型站的电气系统博弈优化方案能有效提高海上风电场电气系统的综合性能。

基于故障风险水平的海上风电场机会维护策略

海上风电场的维修费用占发电总成本比例较高。为降低海上风电场的运维成本,在基于可靠度阈值的机会维护策略基础上,针对风电机组子系统间存在的故障相关性与子系统故障风险水平,文中提出一种包含故障风险水平、可靠度双阈值和维护矩阵的海上风电场机会维护策略。首先,采用故障链模型对风电机组子系统间的故障关系进行描述,并建立风电机组各子系统的可靠度模型。其次,引入多级维护的概念,提出考虑故障风险水平的风电场机会维护策略优化模型,采用粒子群算法对子系统机会维护的风险因子进行优化,进而确定单台机组的维护策略。然后,综合考虑海上可及性、备件库存等因素,提出一种基于维护矩阵的海上风电场维护策略优化模型,以单位时间维护成本最小为目标函数,根据子系统的备件库存和故障风险水平来对维护策略进行动态调整。最后,以某海上风电场中单台风电机组为例,分析可及率、多级维护等因素对风电场机会维护策略的影响。结果表明,考虑故障风险水平的机会维护策略相比传统机会维护策略费用率可降低27.34%,验证了所提机会维护策略在降低维护费用方面的有效性。

风电参与电力系统调频技术研究的回顾与展望

风电参与电力系统调频可增强系统频率稳定性,减小系统同步机的有功备用容量,提高系统的风电接纳能力。从风电机组、风场、系统3个层面回顾了近十几年来有关风电参与系统调频的研究状况。在风电机组层面介绍了目前的风电机型及其并网对系统频率的影响,阐述了目前存在的风电机组调频控制策略的基本原理和特性。在风场层面概述了目前风场内部风电机组之间和风电机组与变流器之间有功协调控制的调频策略。在系统层面叙述了风、水、火、荷等之间协调控制参与系统调频的研究现状。对今后风电调频研究方向进行了展望,即风电机组-场-群一体化控制和源-网-荷的综合协调控制将成为风电参与系统调频研究的重点和热点。

计及需求侧响应的含风电场的输电系统规划

对于包括大规模风电的电力系统,风电出力的随机性和间歇性对系统调节能力和备用容量提出了更高的要求。采用需求侧响应来应对风电出力波动,通过可中断负荷和价格激励机制实现对负荷的"削峰填谷",可以在相当程度上避免风电出力波动给电力系统安全性和经济性带来的负面影响,而这些措施应该在输电系统规划阶段就适当考虑,以最大程度改善电力系统的运行效率。在此背景下,提出计及需求侧响应的含风电场的输电系统规划方法。具体地,提出了考虑需求侧响应的含风电场的输电系统两层规划模型,其中综合考虑了输电投资成本、需求侧响应成本和弃风成本。之后,采用粒子群算法和原对偶内点法相结合的混合算法对所构造的优化模型进行求解。最后,用18节点和46节点算例系统说明了所提模型与方法的可行性和有效性,并分析了考虑需求侧响应后对含风电场的输电系统规划的影响。

考虑调峰适应性风险的风电场群时序规划方法

为解决基地化大规模开发中风电场群建设时序问题,提出与常规机组有机协同并统筹风电场群投资经济性和系统调峰适应性风险的时序规划方法。构建投资时序矩阵和运行状态矩阵刻画风电场和常规机组在投资和运行中的时间关联关系。采用调峰能力缺额风险值(value at risk,VaR)指标衡量调峰适应性风险,并提出计及风速相关性的调峰适应性风险评估方法;采用期权组合价值衡量风电场群投资时序的经济性,并建立考虑学习效应的经济价值评估模型。建立将投资经济性和调峰适应性风险有机统一的双层规划模型,并引入风险当量系数赋予模型罚因子明确的技术经济意义。将遗传算法与随机模拟相结合实现对模型的求解。算例验证了模型和方法的有效性。

考虑风电场可调度性的储能容量配置方法

风电场出力的不可调度性给大量风电场接入后系统安全运行形成了巨大挑战。配套储能系统实现风电场可调度性是解决风电场接入问题的有效方法,基于风电场可调度性规划合理的配套储能容量成为必须解决的问题。本文对满足特定风电场可调度性置信度水平下储能系统规划方法进行了研究。首先采用持续预测方法获取全年风电场小时前预测出力数据,并依据风电场预测出力考虑配套储能容量最小化原则提出了一种调度策略。基于风电场可调度性和储能容量折中,定义风电场可调度性作为约束并利用非参数估计和曲线拟合方法生成储能功率和容量约束函数,以计入储能使用寿命的投资成本模型作为目标函数,利用遗传算法进行求解。最后,以风电场锂电池储能规划为例进行说明。

考虑大规模海上风电接入的多电压等级直流电网运行控制策略研究

海上风电场功率送出需求使得新型直流输电技术成为研究热点之一。我国海上风电多分布在风电资源较为丰富的深海区域,海上风电场和陆上受端站分布较为分散,为实现大规模远距离多区域海上风电功率的有效传输,提出多电压等级直流电网传输方法。文中设计并重点研究一个三电压等级五端直流电网的拓扑结构,并对所研究的3种运行工况,即海上风电功率波动,陆上电网功率需求波动及陆上换流站退出运行,提出相应的直流电网运行控制策略。通过PSCAD/EMTDC仿真软件建立该直流电网的仿真模型,并对所研究的运行工况进行仿真分析。仿真结果证明所提出的控制策略是有效的,该直流电网电压及功率可灵活控制,直流电网运行稳定可靠。该研究也为未来直流电网的互联提出了一种可行的解决方案。

基于改进MAP方法的气象雷达风电场杂波抑制

雷达波束覆盖区域内风电场后向散射引起的杂波与气象目标回波具有类似的特性,进而影响气象目标参数估计的稳健性,导致气象雷达产生误检测与误识别。利用气象雷达二次产品(Level-Ⅱ)实测数据,基于最大后验概率(maximum a posteriori,MAP)算法实现风电场杂波抑制。在传统MAP算法基础上,考虑气象雷达和风电场位置、地形等因素对雷达波束的影响,并将其作为先验信息来选取有效的气象雷达高仰角扫描数据,以此来改善风电场杂波的抑制效果。针对高扫及低扫区域内径向速度变化较为剧烈所导致的MAP杂波抑制算法性能下降的问题,基于气象目标参数随距离均匀分布特性,用风电场周围未污染气象目标的径向速度作为先验信息,对传统MAP算法抑制后的径向速度进行修正。为定量评价风电场抑制算法的性能,给出了定量评价风电场杂波抑制效果的性能指标,并利用气象雷达不同体扫模式VCP(volume cover pattern)下的Level-Ⅱ数据对本文提出算法的有效性进行了验证。

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。

基于风能可利用率的风电场运维水平评价方法

针对传统方法在评价风电场运维水平时仅考虑可利用率数量不注重品质的问题,本文在《风力发电设备可靠性评价规程》定义的可利用率指标的基础上,结合风能随时间变化的影响,提出风能可利用率指标和可利用率品质指标的定义和计算方法,综合评估风电场在检修维护计划制定、故障早期预警及处理、备品备件管理以及风电场天气跟踪等方面的整体运维效果,适应了风能不可控、不可调的特点。该评价方法已在华能新能源公司86个风电场的在线运维评估中应用,应用结果表明该方法快捷高效,可准确评价风机、风电场及区域公司的运维水平。

兼顾风电接纳与风电商利益的风电装机容量分层优化

合理的装机容量是减少弃风、优化电力系统运行、减少风电商损失的有效方法。风电场装机容量的确定主要受电网对风电接纳能力、风电场风资源状况和风电商运营方式的影响。提出采用多目标分层优化决策方法求解风电场合理的装机容量。第一层以电力系统环境经济调度为目标,充分发挥风电的节能减排效应,计算分析不同典型日负荷下的风电接纳能力,获得多条风电接纳水平曲线;第二层以第一层电网最佳风电接纳水平为基础,根据风电场随机模拟风速时序曲线,以风电场弃风电量与欠风电量期望最小为目标,兼顾风电场商的期望利益,建立随机机会约束规划模型评估风电场最佳装机容量。仿真算例验证了所提优化模型的有效性与合理性。

关于风电场设计水平的探讨

引入风力发电场工程设计评价及指标,有利于在风力发电场工程设计中及时发现和解决风电场设计存在的问题。通过优化设计技术参数及优化风电机组布置,使工程设计能够更加科学、准确接近实际情况。风力发电场设计评价指标中,不仅应涵盖风能资源的因素,还应该包含风电机组选型、机组布置、土建、集电线路等因素,综合研究确定这些因素的影响程度,才能够体现出风力发电场工程设计水平。

考虑风电接纳水平及负荷增长的海上风电场多阶段规划

现有海上风电场规划建设鲜有考虑建设时序,多属于静态单阶段规划,易造成初始规划方案与中、后期的运行间缺乏有效衔接的问题,为此,提出一种考虑风电接纳水平的海上风电场多阶段规划方案。建立以购电成本最低为目标的日前市场竞价模型来评估电网对海上风电的最大接纳水平,获得未来多年不同负荷水平下区域电网对海上风电的最大接纳水平及上网电价;在此基础上,将规划周期分为若干个阶段,以投资年份、风机数量、风机位置及风机所属投资阶段为优化变量,建立以风电场净收益最大化为目标的海上风电场多阶段规划模型。算例验证了多阶段规划模型相较于单阶段规划模型在提升海上风电场经济效益上的有效性。

适用于海上风电的多端口直流变电站及其主从控制策略

提出多端口直流变电站的拓扑结构,并建立了相应数学模型;该变电站可以实现不同类型、多电压等级的多送端海上风电场和多受端高压直流输电系统的互联,并实现直流潮流的集中调控。将多端口直流变电站应用于多电压等级海上风电并网,并提出多端口直流变电站的主从控制策略,利用直流变电站各端口的协调实现风功率波动时或任一端口故障时变电站的正常工作。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了含多端口直流变电站的多端直流试验系统仿真模型,并针对所提出的主从控制策略进行了稳态仿真分析和故障仿真分析,结果表明该策略能够保证多端口直流变电站的稳定可靠运行。

采用VSC-HVDC的海上风电场柔性直流输电系统控制策略研究

以实际应用于海上风电输电工程中的三相两电平电压源换流器为研究对象,通过对换流器主电路拓扑结构进行坐标变换,建立了便于解析的两相旋转dq坐标系下的数学模型;换流器控制系统采用了双闭环PI控制方法,并引入电流解耦控制,实现了一侧定有功、一侧定直流电压控制,提高了系统的动态性能和抗干扰能力;采用了SVPWM调制方式进行调制,有效地降低了谐波含量和开关损耗;采用Matlab/Simulink仿真,并搭建了3.5 kW试验验证平台。结果表明该方案控制效果良好,电压、电流波形稳定、谐波含量少且响应速度较快。因此,适用于海上风电场柔性直流输电系统。