基于優(yōu)化粒子群算法的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償研究

張蕾+++王蔚+++孫凌濤

摘 要：在我國(guó)新能源結(jié)構(gòu)中，風(fēng)電占有越來(lái)越多的權(quán)重，因此對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的電能質(zhì)量也有了更高的要求。風(fēng)電場(chǎng)電壓是電能質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)志，而風(fēng)電場(chǎng)的電壓又受到無(wú)功功率的影響。為了應(yīng)對(duì)無(wú)功功率不足的情況，可采用電容器組來(lái)補(bǔ)償無(wú)功。文章提出一種優(yōu)化的粒子群算法來(lái)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)時(shí)電容器數(shù)量進(jìn)行控制的方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；無(wú)功補(bǔ)償；粒子群算法

引言

隨著風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量的增多以及風(fēng)電在電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)中比例的日漸增多，解決其電壓穩(wěn)定性的問(wèn)題的方法也日漸受到關(guān)注與研究。一般而言解決方法有無(wú)功補(bǔ)償或者合理分配無(wú)功等多種方法。時(shí)下風(fēng)電場(chǎng)多采取將電容器組投切入并網(wǎng)點(diǎn)來(lái)補(bǔ)償無(wú)功功率。對(duì)于傳統(tǒng)求解最優(yōu)無(wú)功補(bǔ)償容量方法中采用的遺傳算法，具有耗時(shí)，低效率等特點(diǎn)，采用粒子群算法來(lái)優(yōu)化[1]。

1 潮流計(jì)算處理方法

分電機(jī)組現(xiàn)有恒速和變速兩種機(jī)型，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)而言主要采用恒速風(fēng)機(jī)，其中異步電機(jī)使用較多。異步電機(jī)需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，但是該電機(jī)無(wú)法發(fā)出無(wú)功功率，因此需要就地補(bǔ)償無(wú)功功率來(lái)維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。圖1是常見的異步電機(jī)簡(jiǎn)化模型，圖中的jxd，jxz，jxl分別代表定子電抗，轉(zhuǎn)子電抗以及勵(lì)磁電抗，Rz是轉(zhuǎn)子電阻，s是滑差率。

2 無(wú)功容量計(jì)算方法

2.1 粒子群算法

粒子群算法是基于對(duì)鳥群覓食進(jìn)行研究得到的一種算法[1]，雖然距離第一次提出已經(jīng)將近20年，但相對(duì)于遺傳算法仍然具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)[3]。粒子群算法主要的優(yōu)點(diǎn)是：（1）每一個(gè)粒子都有一個(gè)隨機(jī)值并在整個(gè)空間進(jìn)行流動(dòng)；（2）具有記憶功能；（3）個(gè)體通過(guò)各粒子之間相互合作與競(jìng)爭(zhēng)來(lái)完成優(yōu)化；（4）其算法優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)又具有智能性，非常適合用于工程應(yīng)用研究之中。

2.2 風(fēng)電機(jī)組無(wú)功電壓特性

風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功容量補(bǔ)償通過(guò)投切電容器組來(lái)完成，因此投切規(guī)則也應(yīng)當(dāng)具體情況具體分析。通常情況下，當(dāng)風(fēng)機(jī)有功功率比較小時(shí)，風(fēng)機(jī)的功率因數(shù)變化較大，但是此時(shí)的無(wú)功功率變化也較為平緩。只有當(dāng)有功功率超過(guò)閾值，并在無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備全部投切入系統(tǒng)，此時(shí)的功率因數(shù)近似恒定，無(wú)功功率和有功功率之間的關(guān)系可以近似看做線性關(guān)系。風(fēng)機(jī)并網(wǎng)時(shí)，母線電壓也會(huì)隨著風(fēng)速的波動(dòng)而波動(dòng)，但其值不會(huì)隨著有功功率變化而單調(diào)變化。研究表明隨著風(fēng)速變化，其母線電壓可能會(huì)在中間速度時(shí)越過(guò)最大電壓值，因此需要研究從最小到最大風(fēng)速的所有情況[3]。

2.3 無(wú)功容量的確定及計(jì)算方法

風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)時(shí)可以控制投切電容器組，使風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)端電壓在合理上下限內(nèi)變化。忽略定子、線路以及變壓器無(wú)功損耗，考慮風(fēng)速以及負(fù)荷的變化情況，令并網(wǎng)點(diǎn)處電壓逐漸上升，應(yīng)用潮流計(jì)算式，得到不同風(fēng)速、負(fù)荷及電壓值時(shí)無(wú)功功率的補(bǔ)償容量，從而得到補(bǔ)償空間圖。該空間圖的上下限即所需無(wú)功容量的上下限，進(jìn)而確定無(wú)功容量。

具體計(jì)算方法：

（1）輸入風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)數(shù)，風(fēng)機(jī)容量及運(yùn)行參數(shù)，初始化風(fēng)速參數(shù)。

（2）輸入潮流計(jì)算參數(shù)，負(fù)荷參數(shù)及系統(tǒng)母線電壓上下限。

（3）設(shè)置約束條件的置信水平，粒子群算法參數(shù)，終止條件，種群規(guī)模。

（4）初始化粒子驗(yàn)證其可行性，形成初始粒子群位置及速度。

（5）計(jì)算粒子適應(yīng)值。

（6）比較每個(gè)粒子的適應(yīng)值與個(gè)體極值，如果較優(yōu)，更新個(gè)體極值。

（7）比較每個(gè)粒子將適應(yīng)值與全局極值，如果較優(yōu)，更新全局極值。

（8）根據(jù)以下公式更新粒子位置和速度：

式中n為當(dāng)前循環(huán)次數(shù)；c1=c2=2；c為指定總的循環(huán)次數(shù)；r1，r2為（0，1）之間的隨機(jī)值；xi，vi為粒子位置和速度；改變w可以改變收斂速度，取值范圍[1.0，0.4]。

（9）重復(fù)步驟（5）～（8），直到符合終止條件

（10）將最好的粒子作為最優(yōu)解。

通過(guò)控制最優(yōu)電容器組數(shù)投切，從而得到最優(yōu)無(wú)功補(bǔ)償容量，實(shí)現(xiàn)了目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

將粒子群算法用于求解電容器優(yōu)化分組，可以有效優(yōu)化無(wú)功功率容量補(bǔ)償問(wèn)題，從而解決風(fēng)電隨機(jī)性導(dǎo)致的母線電壓質(zhì)量下降問(wèn)題得出如下結(jié)論：（1）采用簡(jiǎn)化的異步風(fēng)機(jī)模型，可以得到簡(jiǎn)易可行的潮流計(jì)算方法，該方法具有簡(jiǎn)單實(shí)用性。（2）系統(tǒng)母線電壓與風(fēng)速不成線性關(guān)系，電壓水平呈現(xiàn)拱形。（3）采用粒子群算法可以解決以往常用的遺傳算法中缺點(diǎn)，即耗時(shí)、低效率等。該算法既能保證可靠、經(jīng)濟(jì)的補(bǔ)償無(wú)功容量，又具有準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]趙波，郭創(chuàng)新，張鵬翔，等.基于分布式協(xié)同粒子群優(yōu)化算法的電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（21）：1-7.

[2]邱飛岳，莫雷平，江波，等.基于大規(guī)模變量分解的多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2016，39（12）：2598-2613.

[3]陳樹勇，申洪，張洋，等.基于遺傳算法的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償及控制方法的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（8）：1-6.

作者簡(jiǎn)介：張蕾，漢族，河南省信陽(yáng)市人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

王蔚，漢族，吉林省長(zhǎng)春市人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。