Fast Active Power Distribution Method for Wind Farms Considering Fatigue Loads of Wind Turbines

PAN Shenkai; GAO Bingtuan; MAO Yongheng; GUAN Yifei

doi:10.7500/AEPS20230809002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Fast Active Power Distribution Method for Wind Farms Considering Fatigue Loads of Wind Turbines

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Fast Active Power Distribution Method for Wind Farms Considering Fatigue Loads of Wind Turbines
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 15, Pages: 112-121(2024)
- 作者机构：
  
  1.东南大学电气工程学院，江苏省南京市 210096
  2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东省济南市 250003
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Key R&D Program of China(2021YFB2400500)
- DOI：10.7500/AEPS20230809002
  CLC：
- Received：09 August 2023，
  
  Revised：2023-12-06，
  
  Published Online：12 June 2024，
  
  Published：10 August 2024
- 稿件说明：
移动端阅览
潘沈恺,高丙团,毛永恒等.考虑机组疲劳载荷的风电场快速有功功率分配方法[J].电力系统自动化,2024,48(15):112-121.

PAN Shenkai,GAO Bingtuan,MAO Yongheng,et al.Fast Active Power Distribution Method for Wind Farms Considering Fatigue Loads of Wind Turbines[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(15):112-121.
潘沈恺,高丙团,毛永恒等.考虑机组疲劳载荷的风电场快速有功功率分配方法[J].电力系统自动化,2024,48(15):112-121. DOI： 10.7500/AEPS20230809002.

PAN Shenkai,GAO Bingtuan,MAO Yongheng,et al.Fast Active Power Distribution Method for Wind Farms Considering Fatigue Loads of Wind Turbines[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(15):112-121. DOI： 10.7500/AEPS20230809002.

摘要

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。

Abstract

To suppress the fatigue loads of wind turbines caused by wind farms participating in the frequency regulation process

this paper proposes a fast active power distribution method based on the cooperation of wind turbines and the wind farm. Firstly

the fatigue load expression formulas in two degrees of freedom corresponding to the shaft and the tower of the wind turbine are deduced

and the relationship between the fatigue load and the active power output change of the wind turbine is established. Secondly

by taking the minimization of the total fatigue loads and their distribution in the wind farm as the optimization objectives

and considering the constraint that the sum of the adjusted active power of each wind turbine is the same as the required active power for frequency regulation of the wind farm

the fatigue loads of the wind farm can be reduced while guaranteeing similar characteristics of frequency regulation. Moreover

by continuously calculating its own fatigue sensitivity coefficients at each wind turbine controller

the wind farm controller solves the optimal strategies online by using the commercial solver

to guarantee the real-time active power control during frequency regulation. Finally

a case system consisting of 20 doubly-fed induction generator based wind turbines with 5 MW capacity is performed

and the effectiveness of the proposed method is analyzed and verified.

关键词

Keywords

references

高丙团，胡正阳，王伟胜，等 . 新能源场站快速有功控制及频率支撑技术综述［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2023-07-02 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230530.1551.003.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230530.1551.003.html .

GAO Bingtuan ， HU Zhengyang ， WANG Weisheng ， et al . Review on fast active power control and frequency support technologies of renewable energy stations ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2023-07-02 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230530.1551.003.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230530.1551.003.html .

李东东，董楠，姚寅，等 . 考虑频率响应分散性及系统分区的含风电系统等效惯量估计［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 3 ）： 36 - 45 .

LI Dongdong ， DONG Nan ， YAO Yin ， et al . Equivalent inertia estimation of a power system containing wind power considering dispersion of frequency response and system partitioning ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 3 ）： 36 - 45 .

风电场接入电力系统技术规定： GB/T 19963—2021 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2021 .

Technical specification for connecting wind farm to power system ： GB/T 19963—2021 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2021 .

单煜，汪震，周昌平，等 . 基于分段频率变化率的风电机组一次调频控制策略［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 11 ）： 19 - 26 .

SHAN Yu ， WANG Zhen ， ZHOU Changping ， et al . Control strategy of primary frequency regulation for wind turbine based on segmented rate of change of frequency ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 11 ）： 19 - 26 .

李少林，王伟胜，张兴，等 . 风力发电对系统频率影响及虚拟惯量综合控制［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 15 ）： 64 - 70 .

LI Shaolin ， WANG Weisheng ， ZHANG Xing ， et al . Impact of wind power on power system frequency and combined virtual inertia control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 15 ）： 64 - 70 .

乔颖，郭晓茜，鲁宗相，等 . 考虑系统频率二次跌落的风电机组辅助调频参数确定方法［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 3 ）： 807 - 815 .

QIAO Ying ， GUO Xiaoqian ， LU Zongxiang ， et al . Parameter setting of auxiliary frequency regulation of wind turbines considering secondary frequency drop ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 3 ）： 807 - 815 .

颜湘武，崔森，宋子君，等 . 基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频策略［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 14 ）： 111 - 120 .

YAN Xiangwu ， CUI Sen ， SONG Zijun ， et al . Inertia and primary frequency regulation strategy of doubly-fed wind turbine based on super-capacitor energy storage control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 14 ）： 111 - 120 .

YAO Qi ， HU Yang ， ZHAO Tianyang ， et al . Fatigue load suppression during active power control process in wind arm using dynamic-local-reference DMPC ［J］. Renewable Energy ， 2022 ， 183 ： 423 - 434 .

YANG Jian ， ZHENG Songyue ， SONG Dongran ， et al . Comprehensive optimization for fatigue loads of wind turbines in complex-terrain wind farms ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2021 ， 12 （ 2 ）： 909 - 919 .

杨伟峰，文云峰，张武其，等 . 基于风-储联合的双层频率响应控制策略［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 12 ）： 184 - 193 .

YANG Weifeng ， WEN Yunfeng ， ZHANG Wuqi ， et al . Bi-level frequency response control strategy based on wind power and energy storage ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 12 ）： 184 - 193 .

LIU Yingming ， WANG Yingwei ， WANG Xiaodong ， et al . Optimal active power dispatch for wind farm based on the improved fatigue load sensitivity ［J］. Journal of Renewable & Sustainable Energy ， 2019 ， 11 （ 3 ）： 1 - 9 .

LYU Xue ， LUI Tao . Intelligent learning based active power regulation of wind turbines considering fatigue reduction ［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics ， 2022 ， 18 （ 1 ）： 405 - 414 .

WANG Haixin ， YANG Zihao ， CHEN Zhe ， et al . Multiple adaptive model predictive controllers for frequency regulation in wind farms ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2023 ， 38 （ 1 ）： 15 - 26 .

ZHANG Baohua ， SOLTANI M ， HU Weihao ， et al . Optimized power dispatch in wind farms for power maximizing considering fatigue loads ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2018 ， 9 （ 2 ）： 862 - 871 .

ZHAO Haoran ， WU Qiuwei ， HUANG Shaojun ， et al . Fatigue load sensitivity-based optimal active power dispatch for wind farms ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2017 ， 8 （ 3 ）： 1247 - 1259 .

WANG Yingwei ， GUO Yufeng ， ZHANG Dongrui . Optimal ancillary control for frequency regulation of wind turbine generator based on improved fatigue load sensitivity ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2022 ， 137 ： 107751 .

YAN Qi ， MA Bo ， ZHAO Tianyang ， et al . Optimized active power dispatching of wind farms considering data-driven fatigue load suppression ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2023 ， 14 （ 1 ）： 371 - 380 .

杨伟峰，文云峰，李立，等 . 考虑疲劳载荷的风电场分散式频率响应策略［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 4 ）： 55 - 62 .

YANG Weifeng ， WEN Yunfeng ， LI Li ， et al . Decentralized frequency response strategy for wind farm considering fatigue load ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 42 （ 4 ）： 55 - 62 .

葛畅，阎洁，刘永前，等 . 海上风电场运行控制维护关键技术综述［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 12 ）： 4278 - 4292 .

GE Chang ， YAN Jie ， LIU Yongqian ， et al . Review of key technologies for operation control and maintenance of offshore wind farm ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 12 ）： 4278 - 4292 .

王俊，周川，蔡彦枫，等 . 考虑疲劳均衡的海上风电场主动尾流控制研究［J］. 可再生能源， 2021 ， 39 （ 2 ）： 208 - 214 .

WANG Jun ， ZHOU Chuan ， CAI Yanfeng ， et al . Active wake control of offshore wind farm considering fatigue equilibrium ［J］. Renewable Energy Resources ， 2021 ， 39 （ 2 ）： 208 - 214 .

魏媛，许帅，汪建文，等 . 基于发电成本和疲劳均匀性的风电场有功功率控制策略研究［J］. 可再生能源， 2017 ， 35 （ 12 ）： 1847 - 1853 .

WEI Yuan ， XU Shuai ， WANG Jianwen ， et al . Wind farm active power control strategy research based on generating cost and fatigue uniformity ［J］. Renewable Energy Resources ， 2017 ， 35 （ 12 ）： 1847 - 1853 .

邓智文，郭苏，许昌，等 . 海上风电场功率提升和疲劳平衡综合优化控制［J］. 太阳能学报， 2021 ， 42 （ 1 ）： 180 - 186 .

DENG Zhiwen ， GUO Su ， XU Chang ， et al . Comprehensive optimization control of power boost and fatigue balance for offshore wind farms ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2021 ， 42 （ 1 ）： 180 - 186 .

HUANG Lingling ， TANG Hua ， ZHANG Kaihua ， et al . 3-D layout optimization of wind turbines considering fatigue distribution ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2020 ， 11 （ 1 ）： 126 - 135 .

应有，孙勇，杨靖，等 . 大型双馈风电机组电网故障穿越过程载荷特性分析［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 12 ）： 131 - 138 .

YING You ， SUN Yong ， YANG Jing ， et al . Load characteristic analysis of grid fault ride-through process for DFIG based large wind turbine ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 12 ）： 131 - 138 .

SEBASTIAN P ， STEFAN F ， KURT R . Performance and reliability of wind turbines： a review ［J］. Energies ， 2017 ， 10 （ 11 ）： 1904 .

CUONG D ， BEHZAD K ， CHRISTOPHER C . Wind turbine reliability data review and impacts on levelised cost of energy ［J］. Wind Energy ， 2019 ， 22 ： 1848 - 1871 .

毛永恒 . 双馈风电场快速有功控制技术研究［D］. 南京：东南大学， 2023 .

MAO Yongheng . Research on fast active power control technology of doubly-fed wind farm ［D］. Nanjing ： Southeast University ， 2023 .

MAO Yongheng ， GAO Bingtuan . An active power allocation optimization strategy for wind farm frequency response considering fatigue loads ［C］// 2022 12th International Conference on CYBER Technology in Automation， Control， and Intelligent Systems ， July 27-31 ， 2022 ， Jilin， China ： 591 - 596 .

顾波，张洋，任岩，等 . 风电场尾流分布计算及场内优化控制方法［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 18 ）： 124 - 129 .

GU Bo ， ZHANG Yang ， REN Yan ， et al . Wake distribution calculation and optimization control method for wind farms ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 18 ）： 124 - 129 .

许昌，钟淋涓 . 风电场规划与设计［M］. 北京：中国水利水电出社， 2014 .

XU Chang ， ZHONG Linjuan . Planning and design of wind farm ［M］. Beijing ： China Water Resources and Hydropower Press ， 2014 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Bi-level Frequency Response Control Strategy Based on Wind Power and Energy Storage

Two-segment Droop Frequency Regulation Control Strategy and Parameter Setting Method for Wind Turbines

应用深度自编码网络和XGBoost的风电机组发电机故障诊断

风电场谐波谐振测试与分析

Related Author

Weifeng YANG

Yunfeng WEN

Wuqi ZHANG

Buqing DENG

GAO Haishu

ZHANG Feng

DING Lei

ZHAO Hongshan

Related Institution

College of Electrical and Information Engineering, Hunan University

Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control of Ministry of Education (Shandong University)

Hebei Key Laboratory of Distributed Energy Storage and Microgrid(North China Electric Power University)

China Electric Power Research Institute

Gansu Electric Power Dispatching and Communication Center

⁰