風電場無功補償容量配置及優化運行研究

胡勇

（福建省福能新能源有限責任公司，福建 莆田 351146）

風電場并入電網是優化電網能源結構的重要舉措，在填補能源缺口、克服環境污染等方面發揮優勢作用。但考慮到風力發電具有間歇性、反調峰等特性，在并網運行時將吸收系統中的無功功率、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化配置保障電網安全運行。

1 無功功率補償點與無功補償容量的優化模型

1.1 無功補償節點優化模型

（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電機的直驅式風電機組，利用變流器調節無功功率，不從系統中吸收無功功率，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 個節點，由npq個PQ 節點、npv個PV 節點及1 個平衡節點組成，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，系統電壓/無功靈敏度矩陣為S，則：

針對該模型進行線性優化，將風電場補償前的系統電壓/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時，表示系統處于穩定運行狀態，且數值越小說明系統穩定性越強；當電壓/無功靈敏度取值為負數時，說明系統處于非穩定運行狀態，需調節無功補償容量進行優化。

（3）優化模型。設在風電場內共有N0個無功補償節點，其集合表示為G={g1,g2,…,gn0}，集合總數為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揮。基于迭代法進行算法組合優化，得出無功補償節點優化選擇模型為：

1.2 基于改進遺傳算法的無功補償容量優化模型

（1）遺傳算法。遺傳算法是一種尋求復雜問題最優解的隨機優化方法，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、迭代速度較慢等缺陷，因此，需針對常規遺傳算法進行改進，確保種群向最優區域移動。

（2）改進遺傳算法。基于信息熵的親和度計算方法，設個體數目為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，由此求得全局最優解。

1.3 實際運行效果

以福建莆田區某風電場為例，該風電場共設有24 臺2MW風力發電機，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 后并入電網系統中。將本文設計的無功補償優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、感性動態無功補償，將靜態補償、動態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調節無功功率問題。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零無功功率輸出，且無功補償效果較好，可實現對無功電壓的有效控制，維護電網安全穩定運行。

2 風電場調節無功策略創新

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。在目標函數的建立上，首先，風電場集群的單場中有m 個節點，各節點的當前電壓值為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損為Ploss，則依據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：

在約束條件的設計上，設SV G 設備可調節無功功率為QB，風機可調節無功功率為Qjk，單一風電場聯結點處的電壓值為Ul，則補償設備、風機的無功調節范圍及聯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，更好地優化電壓與網損。

2.2 基于SVG 的風電場無功電壓協調控制系統設計

（1）無功電壓協調控制系統設計。利用無功電壓協調控制系統進行各風電機組獨立控制系統的統一控制，從電網調度系統處接收電壓指令值，將其與并網節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SVG 無功輸出；當接收到無功功率指令值后無法調節風電機無功功率，則需調節SVG 無功輸出。

在電壓偏差指標計算上，將風電場并網點的實測電壓值設為VPCC，調度系統下發的電壓指令值為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：

系統阻抗X 的計算公式為：

設所需調節的風電場并網點的電壓目標值為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，利用協調控制系統進行無功電壓的調節。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，且優先調節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CREIA、CWEA、GWEC 等機構預測，2020 年風電裝機規模將突破250GW，在電網容量中占比達8%以上，因此，更應優化無功補償容量計算與無功功率控制水平，保障電力系統安全穩定運行。