胡勇

（福建省福能新能源有限責任公司，福建 莆田 351146）

風電場并入電網(wǎng)是優(yōu)化電網(wǎng)能源結構的重要舉措，在填補能源缺口、克服環(huán)境污染等方面發(fā)揮優(yōu)勢作用。但考慮到風力發(fā)電具有間歇性、反調峰等特性，在并網(wǎng)運行時將吸收系統(tǒng)中的無功功率、產生6 ～8 倍的沖擊電流，由此削弱電壓質量、增加電能損耗，因此，需依托無功補償容量的優(yōu)化配置保障電網(wǎng)安全運行。

1 無功功率補償點與無功補償容量的優(yōu)化模型

1.1 無功補償節(jié)點優(yōu)化模型

（1）無功損耗構成。當前，國內采用的風電機組主要包含兩種類型：其一是雙饋式變速恒頻風電機組，其無功補償容量應控制在總裝機容量的10%左右；其二是基于永磁同步發(fā)電機的直驅式風電機組，利用變流器調節(jié)無功功率，不從系統(tǒng)中吸收無功功率，因此，可忽略其無功補償容量。

在變壓器無功損耗ΔQT的計算上，設空載無功損耗為ΔQ0，負載無功損耗為ΔQS，變壓器額定容量、視在功率分別為SN和S，空載電流、短路阻抗的百分數(shù)分別為I0%和UK%，則其計算公式為：

在線路無功損耗ΔQ 的計算上，設線路有功功率、無功功率分別為P 和Q，電路電壓與電抗分別為U 和X，則其計算公式為：

（2）電壓/無功靈敏度計算。設風電場內共有n 個節(jié)點，由npq個PQ 節(jié)點、npv個PV 節(jié)點及1 個平衡節(jié)點組成，在極坐標系下建立牛頓-拉夫遜法潮流方程：

考慮到電壓幅值與系統(tǒng)無功功率、有功功率分別為強耦合和弱耦合，因此，可假設有功功率ΔP=0，系統(tǒng)電壓/無功靈敏度矩陣為S，則：

針對該模型進行線性優(yōu)化，將風電場補償前的系統(tǒng)電壓/無功靈敏度矩陣設為M，得出：

其中，電壓/無功靈敏度取值為正數(shù)時，表示系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，且數(shù)值越小說明系統(tǒng)穩(wěn)定性越強；當電壓/無功靈敏度取值為負數(shù)時，說明系統(tǒng)處于非穩(wěn)定運行狀態(tài)，需調節(jié)無功補償容量進行優(yōu)化。

（3）優(yōu)化模型。設在風電場內共有N0個無功補償節(jié)點，其集合表示為G={g1,g2,…,gn0}，集合總數(shù)為Card()。在配置無功補償設備后，風電場內電壓ΔV 與無功功率ΔQ 的關系，以及電壓/無功靈敏度變化D 分別表示為：

其中，diag()代指提取m 階矩陣對角元素形成的m 維列向量。電壓/無功靈敏度指標取值越大，則說明補償效應得到充分發(fā)揮?；诘ㄟM行算法組合優(yōu)化，得出無功補償節(jié)點優(yōu)化選擇模型為：

1.2 基于改進遺傳算法的無功補償容量優(yōu)化模型

（1）遺傳算法。遺傳算法是一種尋求復雜問題最優(yōu)解的隨機優(yōu)化方法，但在實際應用時，存在編碼方式不確定性、易過早收斂于局部最優(yōu)、迭代速度較慢等缺陷，因此，需針對常規(guī)遺傳算法進行改進，確保種群向最優(yōu)區(qū)域移動。

（2）改進遺傳算法?；谛畔㈧氐挠H和度計算方法，設個體數(shù)目為N 個，符號集大小為s，利用Pij表示第i 個個體等位基因源于第j個基因的概率，則j個基因的信息熵計算公式為：

假設個體基因均保持一致，即Hj(N)取值為0，設個體數(shù)碼串的長度為L，則個體基因多樣性的信息熵計算公式為：

由此可推導出，2 個個體的親和度計算公式為：

其中，0 ≤A ≤1，A 取值越大則說明2 個個體間的相似度越高，當A=1 時說明2 個個體基本保持一致。利用改進后的遺傳算法生成初始參照種群，保障搜索遍歷整個解的空間，由此求得全局最優(yōu)解。

1.3 實際運行效果

以福建莆田區(qū)某風電場為例，該風電場共設有24 臺2MW風力發(fā)電機，以6 臺為一組，總裝機容量為48MW；風機的間距設為0.5km，每臺均配有0.69/35kV 箱式變壓器，可升壓至35kV；風電匯流站設有50MVA 升壓變壓器，將各風電機集中升壓至110kV 后并入電網(wǎng)系統(tǒng)中。將本文設計的無功補償優(yōu)化模型應用于該風電場中，基于風電場滿載情況下的無功功率確定其有功出力，針對雙饋、永磁風電場分別配置2.5Mvar 的容性、感性動態(tài)無功補償，將靜態(tài)補償、動態(tài)補償之和作為風電場無功補償容量。用于解決靜止電容器投切存在的無法連續(xù)調節(jié)無功功率問題。通過觀察實際運行效果可知，配置無功補償容量后基本可使風電場實現(xiàn)零無功功率輸出，且無功補償效果較好，可實現(xiàn)對無功電壓的有效控制，維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2 風電場調節(jié)無功策略創(chuàng)新

2.1 風電場集群無功電壓分層控制策略

（1）無功電壓分層控制模型建立。在目標函數(shù)的建立上，首先，風電場集群的單場中有m 個節(jié)點，各節(jié)點的當前電壓值為Uj、設計值為Ujref，則其電壓需滿足：

其次，基于風電場運行成本因素的考量，設風電場單場內的網(wǎng)損為Ploss，則依據(jù)經濟性指標應使其滿足：

再次，為保障集群內各風電場無功裕度符合標準，設風機發(fā)出無功功率的極限值為Qimax，則應使其滿足：

最后，將上述模型進行匯總，生成風電場集群的總目標函數(shù)：

在約束條件的設計上，設SV G 設備可調節(jié)無功功率為QB，風機可調節(jié)無功功率為Qjk，單一風電場聯(lián)結點處的電壓值為Ul，則補償設備、風機的無功調節(jié)范圍及聯(lián)結點處的電壓安全裕度應分別滿足：

（2）仿真分析結果。將無功電壓分層控制模型應用于風機、SVG 設備無功功率的求解中，設各風電場內風機的無功裕度保持一致，將控制周期取值為10min，當風電場無功功率到達極限時由SVG 負責承擔無功功率，在此模式下，風電場集群內的風電機組均參與無功分配，通過在場間層、場內層分別設置風場、風機的無功裕度，能夠有效提升風機無功裕度的百分比，且計算時長控制在60s 左右，更好地優(yōu)化電壓與網(wǎng)損。

2.2 基于SVG 的風電場無功電壓協(xié)調控制系統(tǒng)設計

（1）無功電壓協(xié)調控制系統(tǒng)設計。利用無功電壓協(xié)調控制系統(tǒng)進行各風電機組獨立控制系統(tǒng)的統(tǒng)一控制，從電網(wǎng)調度系統(tǒng)處接收電壓指令值，將其與并網(wǎng)節(jié)點處的實測電壓值進行比較，結合電壓偏差判斷是否需進行無功調整，并計算出具體的調整量。當風電機組無功容量較小時，可調節(jié)SVG 無功輸出；當接收到無功功率指令值后無法調節(jié)風電機無功功率，則需調節(jié)SVG 無功輸出。

在電壓偏差指標計算上，將風電場并網(wǎng)點的實測電壓值設為VPCC，調度系統(tǒng)下發(fā)的電壓指令值為VrefPCC，允許控制誤差為VerrPCC，則其關系式表示為：

在無功補償容量計算上，將算法與PI 調節(jié)進行整合，設電壓指令為Uref，當前周期與上一周期的母線電壓分別為U2和U1、無功功率分別為Q2和Q1。電壓指令值與實測值之差經由PI 控制器輸出無功需求調整量Qw_ref，則增量式PI算法表示為：

系統(tǒng)阻抗X 的計算公式為：

設所需調節(jié)的風電場并網(wǎng)點的電壓目標值為UrefPCC，則無功需求調整量的計算公式為：

為保障風電機組的無功調控能力得到有效發(fā)揮，且同時確保不影響機組運行工作壽命，需設置無功儲備極限參數(shù)K0，用于將風電機組的無功調控值控制在允許范圍內，控制機組與SVG 保持同步動作。設機組當前運行時刻的無功極限值為Qtotal_max，控制系統(tǒng)分配給機組和SVG 的無功功率分別為QWT_ref、QSVG_ref，其計算公式為：

（2）應用實例分析。以某雙饋電機小型風電場為例，該風電場共包含3 臺1.5MW 的風電機組、1 臺主變壓器與1套SVG 設備，各機組分別配有1 臺箱式變壓器，SVG 設備的容量為-3 ～3Mvar。將SVG 裝置接入升壓站主變低壓側，以該點作為電壓控制點、確定電壓控制指令，利用協(xié)調控制系統(tǒng)進行無功電壓的調節(jié)。通過觀察實際應用結果可知，在12m/s 的湍流風作用下，利用風電機組與SVG 可保障控制點跟蹤電壓控制指令、做出及時響應，且優(yōu)先調節(jié)風電機組的無功出力，可以有效減少SVG 無功投入，能夠大幅節(jié)約風電場SVG 投資、提升經濟效益。

3 結語

風機、變壓器和線路是風電場無功功率需求的主要來源，不同風電機組選型對于風電場的無功功率特性也將產生一定影響。據(jù)CREIA、CWEA、GWEC 等機構預測，2020 年風電裝機規(guī)模將突破250GW，在電網(wǎng)容量中占比達8%以上，因此，更應優(yōu)化無功補償容量計算與無功功率控制水平，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。