Special report on relationship between wind farms and power grids

The installed capacity of a large scale wind power plant will be up to a number of hundreds MW, and the wind power is transmitted to load centers through long distance transmission lines with 220 kV, 500 kV, or 750 kV. Therefore, it is necessary not only considering the power transmission line between a wind power plant and the first connection node of the power network, but also the power network among the group of those wind power plants in a wind power base, the integration network from the base to the existed grids, as well as the distribution and consumption of the wind power generation by loads. Meanwhile, the impact of wind power stochastic fluctuation on power systems must be studied. In recent years, wind power prediction technology has been studied by the utilities and wind power plants. As a matter of fact, some European countries have used this prediction technology as a tool in national power dispatch centers and wind power companies.

A Review of Power Electronics for Wind Power

The paper reviews the power electronic applications for wind energy systems.Main wind turbine systems with different generators and power electronic converters are described.The electrical topologies of wind farms with power electronic conversion are discussed.Power electronic applications for improving the performance of wind turbines and wind farms in power systems have been illustrated.

Probabilistic Load Flow Considering Correlation between Generation, Loads and Wind Power

In this paper a procedure is established for solving the Probabilistic Load Flow in an electrical power network, considering correlation between power generated by power plants, loads demanded on each bus and power injected by wind farms. The method proposed is based on the generation of correlated series of power values, which can be used in a MonteCarlo simulation, to obtain the probability density function of the power through branches of an electrical network.

Small-Signal Stability Analysis of Wind Power System Based on DFIG

This paper focuses on the small-signal stability of power system integrated with DFIG-based wind farm. The model of DFIG for small-signal stability analysis has built;the 3-generator 9-bus WECC test system is modified to investigate the impacts of large scale integration of wind power on power system small-signal stability. Different oscillatory modes are obtained with their eigenvalue, frequency and damping ratio, the results from eigenvalue analysis are presented to demonstrate the small-signal stability of power system is enhanced with the increasing output of the wind farm.

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.

基于PSS／E Wind大型风电场并入输电网的动态特性研究

以PSS/E和风机软件包为平台,建立了基于滑差可调绕线式异步风电机组的恒速恒频风电场模型,并以CIGREB4-39风电场并网系统标准模型为例,研究了不同种风速扰动下的风电场动态特性,分析了对于不同容量、不同并网点风电场在不同种故障点扰动下保持稳定运行的能力。研究表明,扰动风速增量过大时,风电场振荡加剧;在一定容量范围内,大容量风电场表现出更强的抗扰动能力;同步发电机的调节作用对近区风电场稳定运行有明显改善的效果。

垂直错列布局风力机群尾流特征研究

风力机尾流对风电场的输出功率有着重要影响,为深入研究增设小风力机对风电场整体出力的影响,采用OpenFOAM模拟2个大风力机和2个大风力机之间横向布置的3个小风力机的组合,并以小风力机与下游大风力机之间距离不同的4种工况和其中1种工况下小风力机高度不同为研究对象。该布局在2个大风力机之间增加3个小风力机,每排小风力机与下游大风力机的距离不同。结果表明:经距离不同和高度不同的计算对比,当小风力机高度设置为37 m时,随着与上游大风力机距离的增大,下游大风力机功率逐渐增加;当小风力机距离下游大风力机位置固定,增加小风力机轮毂高度则使得下游大风力机功率降低。

考虑大气稳定度的典型复杂地形风场CFD模式

为评估中国典型复杂山地风资源,实现风资源的高效利用,结合雷诺时均的k-ε两方程模型、大气粗糙度壁面函数和热浮力作用,提出能模拟不稳定、中性和稳定状态复杂地形风场特性的大气CFD模式,并针对湍流参数、大气粗糙度对风速廓线的影响进行参数化研究。采用两种方式驱动CFD模式:一种是通过来流上游的实测风速廓线驱动CFD模式,一种是通过WRF模式输出风速廓线和温度廓线驱动CFD模式。利用山西神池南桦山丘陵山地测风数据进行大气CFD模式验证,通过WRF-CFD耦合仿真研究山地公里级范围热浮力作用对风场的影响,详细对比不同热浮力作用下的大气CFD模式仿真精度。结果表明大气CFD模式能准确地模拟不同稳定度状态下的山区大气风环境,但对于不稳定状态下山后风场的模拟能力稍差。

基于混合特征双重衍生和误差修正的风电功率超短期预测

随着风电渗透率的不断提高,对风电功率进行精准、可靠的预测是提升风电消纳水平的有效措施。针对功率预测时风电数据种类不足和特征数量稀缺的问题,提出基于混合特征双重衍生和误差修正的风电功率超短期预测模型。首先,在原始功率特征中施加混沌噪声,构造出多条混沌扰动特征,改善原始功率特征分布过于单一的状况。其次,提出基于免疫算法的特征衍生算法,挖掘风电功率数据的潜在信息,增加优质特征数量,进而构建误差预测模型,通过预测风电功率预测误差修正风电功率预测结果,进一步提升预测准确率。最后,基于比利时风电场实际运行数据进行算例分析。所提模型预测效果较好,且相较其他传统预测模型精确度更高,验证了所提模型的有效性。

漂浮式风电技术现状及中国深远海风电开发前景展望

随着海上风电高速发展及近海场址资源趋紧,适用于深远海域风资源利用的海上漂浮式风电成为中国海上风电未来发展方向。本文介绍国外和国内漂浮式风电发展历程与现状,详细阐述了漂浮式风电从样机示范、小型漂浮式风电场到大规模商业化开发的发展路径,分析不同漂浮式风电基础概念及其特点。剖析了中国漂浮式风电本土化发展所需要面临的技术挑战,主要包括大容量漂浮式风力发电机组、低成本漂浮式风电基础平台、新型系泊系统国产化研制、动态缆系统研制、高效建造安装施工模式和智慧运维安全保障等。针对中国独有的海洋环境、港口码头状况和风电产业链情况,提出了海上漂浮式风电研究方向和发展建议:研发设计适用于中国深远海抗台型大容量漂浮式风电,突破漂浮式风电降本平价发展瓶颈;考虑高效集约用海布局,规模化发展漂浮式风电场;强健漂浮式风电产业完整供应链,推进核心部件和设备国产化进程;创新“海上风电+”新模式新路径,探索海上风电与油气田多能互补融合发展。本文研究对海上漂浮式风电平价商业化开发和扩展海洋能源利用空间具有重要意义。

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。

电力系统风力发电建模与仿真研究综述

对于大规模风电并网的电力系统安全稳定分析,构建合适准确的风电场模型至关重要。首先,梳理了现有风电机组的模型结构以及风电场的动态等值,阐述了风力发电系统的参数辨识方法。其次,介绍了电力系统中风力发电系统常用的时域仿真分析技术,主要综述了电磁暂态仿真、机电暂态仿真、中长期动态仿真、机电-电磁暂态混合仿真和数模混合仿真技术。然后,简述了风力发电系统建模与仿真的新进展。最后,分析了电力系统中风力发电系统的建模及其仿真技术面临的挑战与瓶颈,并结合新型电力系统的需求,对其建模与仿真技术进行了展望。

适用于全故障类型的双馈风电场送出线负序电流纵联保护方案

随着双馈风电机组(DFIG)并网容量的增加,给风电场送出线继电保护的整定带来新的挑战,保护动作性能下降甚至会出现拒动和误动的风险。为此,首先分析双馈风电机组负序电流分量特征;然后进一步分析风电场经交、直流并网时交流送出线两侧电流的特征差异,提出一种适用于双馈风电场送出线的负序电流分量纵联保护新方法。该方法利用双馈风电场送出线两侧负序电流的幅值比和相位差构成保护动作判据,同时,利用数据延时在对称故障下构造出负序分量,使其能适用于风电场送出线的各种故障类型,且具有灵敏度高、耐受过渡电阻能力强等优点。最后,在Matlab/Simulink和PSCAD/EMTDC中搭建双馈风电机组电磁暂态仿真模型,仿真分析保护方案在交直流送出线上的适应性。

基于各项异性多项式分布的风力机三维尾流模型

针对风切变效应及风切变与均匀流的风速差产生的质量亏损,本文提出了一种更先进的三维尾流模型,不同于以往高斯模型,该模型假设速度分布为多项式形状,采用了更加直观的物理尾流边界。此外,考虑到尾流边界的各向异性膨胀,给出了横向和垂向尾流边界扩展率的表达式,这使得该模型仅根据入流风条件及风力机参数即可确定2个方向上的扩展率。通过陆上(I0=13.4%, 9.4%)和海上(I0=6.9%, 4.8%)风况的大涡模拟数据对本文模型的预测精度进行验证研究。与传统模型相比,本文模型能够更好地预测风力机的垂向和横向的尾流分布,最大和最小误差均最小。

大规模风电场高电压穿越控制方法研究综述

大规模发展风电是新能源开发和利用的重大需求,是实现我国“碳达峰、碳中和”战略目标的关键支撑.由外部电网故障造成的风电场电压安全稳定运行问题成为制约风电大规模、集群化、智能化发展的关键瓶颈之一.主要针对电网电压骤升工况,首先从电磁关系和能量流动角度分析常见的双馈风电机组、永磁直驱风电机组以及风电场的高电压穿越(HVRT)暂态特性;然后,基于风电机组不同控制区域归纳总结风电机组HVRT控制策略和风电场HVRT及故障后电压恢复协调优化控制方法,梳理和比较现有各种控制策略的工作原理和优缺点,并从控制结构的角度归纳分析现有大规模风电场的HVRT控制方法的原理、优缺点和效果,总结风电机组和风电场在HVRT控制上的不同点;最后,探讨和预测未来风电场电压智能安全控制的发展趋势和潜在研究热点,为提升我国风电大规模应用和电网安全运行提供借鉴指导作用.

海上风电场运维母船特殊性功能研究

近年来,随着海上风电场的发展,对于海上风电运维母船的开发和研究成为热点。针对中国海上风电场目前无专用的风电场运维母船的现状,为了保证海上风电场风电机组正常运行维护工作的需要,本文结合某开发项目海上风电运维母船为例,针对风电场运维母船其独特的运维使用要求,对风电运维母船特殊性功能进行研究,对提高近远海风电场风电运营维护有重大的现实意义。

超大型海上风电齿轮箱的高性能唇封数值仿真

以海上风电齿轮箱的高性能长寿命唇形密封界面为研究对象,结合其应用工况及自身结构,考虑密封系统由装配误差和零部件公差造成的静偏心现象,建立综合考虑密封系统实际服役状态下界面流体力学、宏观固体力学、表面微观接触力学等多物理场耦合的数值仿真分析模型,并用径向力测试仪验证了有限元仿真模型的合理性,以危险截面的泄漏率及摩擦力矩等为评定指标,研究了恶劣海况下风电“主传动链”静偏心对旋转油封性能的影响规律。结果表明,静偏心会改变唇口的接触状态,对密封性能造成较大影响,该研究对超大型海上风电装备的密封及防泄漏设计和应用有指导意义。

考虑出力相关性的海上风电接入系统固定成本分摊方法

在海上风电规模化开发、集群化并网的背景下,如何回收海上风电接入系统的输电成本,公平合理地向各风电场分摊已成为目前海上风电行业亟待解决的问题。针对该问题,提出了一种考虑风电出力相关性的海上风电接入系统固定成本分摊方法。首先,利用藤Copula函数构建多个海上风电场的出力相关性模型,同时假定系统负荷需求模型服从正态分布,发电机服从0-1概率分布;然后,结合蒙特卡洛抽样和顺流概率潮流追踪法计算各海上风电场接入系统的固定成本分摊费用;最后,通过算例仿真分析,验证了所提方法的合理性和有效性。

基于模功率差的风电经直流外送系统源端交流线路纵联保护

针对送端交流线路受风场及直流系统接入影响,故障特征迥异,以及传统继电保护原理难以适用的问题,提出一种基于模功率差的风电送出线路纵联保护新原理。首先,在单机模型的基础上,考虑风场各设备间的相互作用,推导双馈风场短路电流表达式。结合直流系统网络拓扑,建立送出线路背侧系统馈入线路模功率计算模型。在此基础上,利用区外故障网络拓扑变化引起模功率异变的特性,构造模功率差与模型差异性相关联的保护判据,用以识别交流线路区内外故障。最后,基于RT-LAB平台的试验结果验证了该方法的正确性。

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。