[论文解读] Exploring Wake Interaction for Frequency Control in Wind Farms

Ahmad Shabir Ahmadyar, Gregor Verbič|arXiv (Cornell University)|May 19, 2016

Wind Turbine Control Systems参考文献 11被引用 6

一句话总结

本文提出了一种优化的风电场运行策略，利用尾流相互作用来降低上游风机的载荷，从而增加其储存的动能以用于一次调频。通过联合优化转子转速和桨距角，该策略在扰动期间可将系统频率最低点延迟最多30秒，从而在不牺牲整体功率输出或效率的前提下增强电网惯性。

ABSTRACT

The increasing integration of wind generation is accompanied with a growing concern about secure and reliable power system operation. Due to the intermittent nature of wind, the base-load units need to cycle significantly more than they were designed for, resulting in reduced life cycle and increased costs. Therefore, it is becoming necessary for wind turbines to take part in frequency control, and reduce the need for additional ancillary services provided by conventional generators. In this paper, we propose an optimised operation strategy for the wind farms. In this strategy, we maximise the kinetic energy of wind turbines by an optimal combination of the rotor speed and the pitch angle. We exploit the wake interaction in a wind farm, and de-load some of the up-wind turbines. We show that the kinetic energy accumulated in the rotating masses of the WTs can be increased compared to the base case without compromising efficiency of the wind farm. In a specific system, we show that by implementing this strategy, and injecting the stored kinetic energy of the WTs' rotors into the system during a frequency dip, we can delay the system frequency nadir up to 30 s.

研究动机与目标

• 为解决高比例风电渗透下电力系统频率不稳定的问题，使风电场能够提供一次调频支撑。
• 通过利用尾流相互作用降低下游湍流并提升排效率，克服风机降载带来的效率损失。
• 在保持整体输出功率不变的前提下，最大化风电场中所有风机转子储存的总动能。
• 开发一种可实时实施的实用控制策略，通过优化转子转速和桨距角设定实现。
• 验证风电场可在不损害运行效率的前提下，为系统惯性做出贡献，并延迟频率最低点。

提出的方法

• 将风电场建模为一个协同工作的整体，采用静态尾流模型模拟风机之间的尾流效应。
• 构建一个约束非线性优化问题，以在功率输出和尾流约束条件下，最大化风机转子中储存的总动能。
• 采用模式搜索算法求解该优化问题，确定上游风机的最佳转子转速和桨距角。
• 该策略通过降低部分上游风机的载荷来储存过剩动能，随后在频率下降时将其注入电网。
• 采用包含同步发电机和风电场的简化测试系统进行时域仿真，使用铜板模型模拟频率动态特性。
• 在三种工况下评估控制策略：基准工况（无降载）、降载幅度为5%和10%的两种降载场景（DM）。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用风电场内部的尾流相互作用，在不降低风电场整体效率的前提下实现上游风机的降载？
• RQ2 通过协调控制转子转速和桨距角，风机转子中储存的动能可提升至何种程度？
• RQ3 优化后的降载策略在发生有功功率缺失事件时，对系统频率响应有何影响？
• RQ4 风电场能否通过注入储存的动能来延迟系统频率最低点，持续时间有多长？
• RQ5 不同降载幅度对系统频率最低点及超调量有何影响？

主要发现

• 所提出的策略通过降低上游风机的载荷，增加了风机转子中储存的总动能，使其能够参与一次调频。
• 采用5%降载幅度（DM）时，与基准工况相比，系统频率最低点延迟约15秒。
• 当降载幅度提高至10% DM时，频率最低点延迟最多达30秒，表明具备显著的惯性支撑能力。
• 在降载工况下，由于储存动能的快速注入，系统频率在有功功率缺失后初期出现上升，表明存在超调风险。
• 在扰动期间，降载风机（WT1–WT4）的转子转速显著降低，证实了动能的释放；而未降载风机（WT5）保持转速恒定。
• 所有工况下风电场的整体输出功率几乎保持不变，表明该策略在实现降载的同时仍维持了运行效率。