風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量配置及優(yōu)化運(yùn)行研究

胡勇

（福建省福能新能源有限責(zé)任公司，福建 莆田 351146）

風(fēng)電場(chǎng)并入電網(wǎng)是優(yōu)化電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)的重要舉措，在填補(bǔ)能源缺口、克服環(huán)境污染等方面發(fā)揮優(yōu)勢(shì)作用。但考慮到風(fēng)力發(fā)電具有間歇性、反調(diào)峰等特性，在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)將吸收系統(tǒng)中的無(wú)功功率、產(chǎn)生6 ～8 倍的沖擊電流，由此削弱電壓質(zhì)量、增加電能損耗，因此，需依托無(wú)功補(bǔ)償容量的優(yōu)化配置保障電網(wǎng)安全運(yùn)行。

1 無(wú)功功率補(bǔ)償點(diǎn)與無(wú)功補(bǔ)償容量的優(yōu)化模型

1.1 無(wú)功補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)優(yōu)化模型

（1）無(wú)功損耗構(gòu)成。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)采用的風(fēng)電機(jī)組主要包含兩種類型：其一是雙饋式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，其無(wú)功補(bǔ)償容量應(yīng)控制在總裝機(jī)容量的10%左右；其二是基于永磁同步發(fā)電機(jī)的直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組，利用變流器調(diào)節(jié)無(wú)功功率，不從系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率，因此，可忽略其無(wú)功補(bǔ)償容量。

在變壓器無(wú)功損耗ΔQT的計(jì)算上，設(shè)空載無(wú)功損耗為ΔQ0，負(fù)載無(wú)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?jǐn)?shù)分別為I0%和UK%，則其計(jì)算公式為：

在線路無(wú)功損耗ΔQ 的計(jì)算上，設(shè)線路有功功率、無(wú)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(jì)算公式為：

（2）電壓/無(wú)功靈敏度計(jì)算。設(shè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)共有n 個(gè)節(jié)點(diǎn)，由npq個(gè)PQ 節(jié)點(diǎn)、npv個(gè)PV 節(jié)點(diǎn)及1 個(gè)平衡節(jié)點(diǎn)組成，在極坐標(biāo)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(wú)功功率、有功功率分別為強(qiáng)耦合和弱耦合，因此，可假設(shè)有功功率ΔP=0，系統(tǒng)電壓/無(wú)功靈敏度矩陣為S，則：

針對(duì)該模型進(jìn)行線性優(yōu)化，將風(fēng)電場(chǎng)補(bǔ)償前的系統(tǒng)電壓/無(wú)功靈敏度矩陣設(shè)為M，得出：

其中，電壓/無(wú)功靈敏度取值為正數(shù)時(shí)，表示系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，且數(shù)值越小說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)定性越強(qiáng)；當(dāng)電壓/無(wú)功靈敏度取值為負(fù)數(shù)時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)處于非穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，需調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償容量進(jìn)行優(yōu)化。

（3）優(yōu)化模型。設(shè)在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)共有N0個(gè)無(wú)功補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)，其集合表示為G={g1,g2,…,gn0}，集合總數(shù)為Card()。在配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電壓ΔV 與無(wú)功功率ΔQ 的關(guān)系，以及電壓/無(wú)功靈敏度變化D 分別表示為：

其中，diag()代指提取m 階矩陣對(duì)角元素形成的m 維列向量。電壓/無(wú)功靈敏度指標(biāo)取值越大，則說(shuō)明補(bǔ)償效應(yīng)得到充分發(fā)揮?；诘ㄟM(jìn)行算法組合優(yōu)化，得出無(wú)功補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)優(yōu)化選擇模型為：

1.2 基于改進(jìn)遺傳算法的無(wú)功補(bǔ)償容量?jī)?yōu)化模型

（1）遺傳算法。遺傳算法是一種尋求復(fù)雜問(wèn)題最優(yōu)解的隨機(jī)優(yōu)化方法，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，存在編碼方式不確定性、易過(guò)早收斂于局部最優(yōu)、迭代速度較慢等缺陷，因此，需針對(duì)常規(guī)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，確保種群向最優(yōu)區(qū)域移動(dòng)。

（2）改進(jìn)遺傳算法。基于信息熵的親和度計(jì)算方法，設(shè)個(gè)體數(shù)目為N 個(gè)，符號(hào)集大小為s，利用Pij表示第i 個(gè)個(gè)體等位基因源于第j個(gè)基因的概率，則j個(gè)基因的信息熵計(jì)算公式為：

假設(shè)個(gè)體基因均保持一致，即Hj(N)取值為0，設(shè)個(gè)體數(shù)碼串的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則個(gè)體基因多樣性的信息熵計(jì)算公式為：

由此可推導(dǎo)出，2 個(gè)個(gè)體的親和度計(jì)算公式為：

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

1.3 實(shí)際運(yùn)行效果

以福建莆田區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)為例，該風(fēng)電場(chǎng)共設(shè)有24 臺(tái)2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以6 臺(tái)為一組，總裝機(jī)容量為48MW；風(fēng)機(jī)的間距設(shè)為0.5km，每臺(tái)均配有0.69/35kV 箱式變壓器，可升壓至35kV；風(fēng)電匯流站設(shè)有50MVA 升壓變壓器，將各風(fēng)電機(jī)集中升壓至110kV 后并入電網(wǎng)系統(tǒng)中。將本文設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化模型應(yīng)用于該風(fēng)電場(chǎng)中，基于風(fēng)電場(chǎng)滿載情況下的無(wú)功功率確定其有功出力，針對(duì)雙饋、永磁風(fēng)電場(chǎng)分別配置2.5Mvar 的容性、感性動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，將靜態(tài)補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償之和作為風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償容量。用于解決靜止電容器投切存在的無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率問(wèn)題。通過(guò)觀察實(shí)際運(yùn)行效果可知，配置無(wú)功補(bǔ)償容量后基本可使風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)零無(wú)功功率輸出，且無(wú)功補(bǔ)償效果較好，可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功電壓的有效控制，維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 風(fēng)電場(chǎng)調(diào)節(jié)無(wú)功策略創(chuàng)新

2.1 風(fēng)電場(chǎng)集群無(wú)功電壓分層控制策略

（1）無(wú)功電壓分層控制模型建立。在目標(biāo)函數(shù)的建立上，首先，風(fēng)電場(chǎng)集群的單場(chǎng)中有m 個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前電壓值為Uj、設(shè)計(jì)值為Ujref，則其電壓需滿足：

其次，基于風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行成本因素的考量，設(shè)風(fēng)電場(chǎng)單場(chǎng)內(nèi)的網(wǎng)損為Ploss，則依據(jù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)應(yīng)使其滿足：

再次，為保障集群內(nèi)各風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功裕度符合標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)風(fēng)機(jī)發(fā)出無(wú)功功率的極限值為Qimax，則應(yīng)使其滿足：

最后，將上述模型進(jìn)行匯總，生成風(fēng)電場(chǎng)集群的總目標(biāo)函數(shù)：

在約束條件的設(shè)計(jì)上，設(shè)SV G 設(shè)備可調(diào)節(jié)無(wú)功功率為QB，風(fēng)機(jī)可調(diào)節(jié)無(wú)功功率為Qjk，單一風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)結(jié)點(diǎn)處的電壓值為Ul，則補(bǔ)償設(shè)備、風(fēng)機(jī)的無(wú)功調(diào)節(jié)范圍及聯(lián)結(jié)點(diǎn)處的電壓安全裕度應(yīng)分別滿足：

（2）仿真分析結(jié)果。將無(wú)功電壓分層控制模型應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、SVG 設(shè)備無(wú)功功率的求解中，設(shè)各風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)的無(wú)功裕度保持一致，將控制周期取值為10min，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率到達(dá)極限時(shí)由SVG 負(fù)責(zé)承擔(dān)無(wú)功功率，在此模式下，風(fēng)電場(chǎng)集群內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組均參與無(wú)功分配，通過(guò)在場(chǎng)間層、場(chǎng)內(nèi)層分別設(shè)置風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)機(jī)的無(wú)功裕度，能夠有效提升風(fēng)機(jī)無(wú)功裕度的百分比，且計(jì)算時(shí)長(zhǎng)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(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行各風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立控制系統(tǒng)的統(tǒng)一控制，從電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)處接收電壓指令值，將其與并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的實(shí)測(cè)電壓值進(jìn)行比較，結(jié)合電壓偏差判斷是否需進(jìn)行無(wú)功調(diào)整，并計(jì)算出具體的調(diào)整量。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組無(wú)功容量較小時(shí)，可調(diào)節(jié)SVG 無(wú)功輸出；當(dāng)接收到無(wú)功功率指令值后無(wú)法調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)無(wú)功功率，則需調(diào)節(jié)SVG 無(wú)功輸出。

在電壓偏差指標(biāo)計(jì)算上，將風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的實(shí)測(cè)電壓值設(shè)為VPCC，調(diào)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(guān)系式表示為：

在無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算上，將算法與PI 調(diào)節(jié)進(jìn)行整合，設(shè)電壓指令為Uref，當(dāng)前周期與上一周期的母線電壓分別為U2和U1、無(wú)功功率分別為Q2和Q1。電壓指令值與實(shí)測(cè)值之差經(jīng)由PI 控制器輸出無(wú)功需求調(diào)整量Qw_ref，則增量式PI算法表示為：

系統(tǒng)阻抗X 的計(jì)算公式為：

設(shè)所需調(diào)節(jié)的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓目標(biāo)值為UrefPCC，則無(wú)功需求調(diào)整量的計(jì)算公式為：

為保障風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)控能力得到有效發(fā)揮，且同時(shí)確保不影響機(jī)組運(yùn)行工作壽命，需設(shè)置無(wú)功儲(chǔ)備極限參數(shù)K0，用于將風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)控值控制在允許范圍內(nèi)，控制機(jī)組與SVG 保持同步動(dòng)作。設(shè)機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行時(shí)刻的無(wú)功極限值為Qtotal_max，控制系統(tǒng)分配給機(jī)組和SVG 的無(wú)功功率分別為QWT_ref、QSVG_ref，其計(jì)算公式為：

（2）應(yīng)用實(shí)例分析。以某雙饋電機(jī)小型風(fēng)電場(chǎng)為例，該風(fēng)電場(chǎng)共包含3 臺(tái)1.5MW 的風(fēng)電機(jī)組、1 臺(tái)主變壓器與1套SVG 設(shè)備，各機(jī)組分別配有1 臺(tái)箱式變壓器，SVG 設(shè)備的容量為-3 ～3Mvar。將SVG 裝置接入升壓站主變低壓側(cè)，以該點(diǎn)作為電壓控制點(diǎn)、確定電壓控制指令，利用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功電壓的調(diào)節(jié)。通過(guò)觀察實(shí)際應(yīng)用結(jié)果可知，在12m/s 的湍流風(fēng)作用下，利用風(fēng)電機(jī)組與SVG 可保障控制點(diǎn)跟蹤電壓控制指令、做出及時(shí)響應(yīng)，且優(yōu)先調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功出力，可以有效減少SVG 無(wú)功投入，能夠大幅節(jié)約風(fēng)電場(chǎng)SVG 投資、提升經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)機(jī)、變壓器和線路是風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率需求的主要來(lái)源，不同風(fēng)電機(jī)組選型對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率特性也將產(chǎn)生一定影響。據(jù)CREIA、CWEA、GWEC 等機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2020 年風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模將突破250GW，在電網(wǎng)容量中占比達(dá)8%以上，因此，更應(yīng)優(yōu)化無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算與無(wú)功功率控制水平，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。