基于卡爾曼濾波技術(shù)的大規(guī)模風(fēng)電場無功補(bǔ)償優(yōu)化方法探究

摘" 要：由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出具有不確定性和波動(dòng)性，可能導(dǎo)致電功率因數(shù)下降等問題，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，提出基于卡爾曼濾波技術(shù)的大規(guī)模風(fēng)電場無功補(bǔ)償優(yōu)化方法?；陲L(fēng)電場設(shè)備電氣參數(shù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算設(shè)備無功功率。利用卡爾曼濾波技術(shù)，構(gòu)建風(fēng)電場無功功率預(yù)測模型。制定風(fēng)電場動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償優(yōu)化策略，通過靜止同步補(bǔ)償器（Static Var Compensator，SVG）與靜態(tài)無功補(bǔ)償器（Fixed Capacitor，F(xiàn)C）的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)木珳?zhǔn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，并配套應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，保障風(fēng)電場穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方法能夠顯著提升風(fēng)電場的功率因數(shù)，使其在不同運(yùn)行場景下均能保持較高的水平。

關(guān)鍵詞：卡爾曼濾波" 大規(guī)模風(fēng)電場" 無功補(bǔ)償" 動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)" 功率因數(shù)

中圖分類號：TM714.3

Research on Reactive Power Compensation Optimization Method of Large Scale Wind Farm Based on Kalman Filter Technology

DONG Guosen" CUI Shiwen

Qinghai branch， China Three Gorges Corporation， Xining， Qinghai Province， 810000 China

Abstract： Since the output of wind turbines is uncertain and volatile， it may lead to problems such as the decrease of electric power factor， which affects the safe and stable operation of the power grid. Therefore， a reactive power compensation optimization method based on Kalman filter technology for large-scale wind farms is proposed. Based on the electrical parameters and real-time operating status of wind farm equipment， the reactive power of the equipment is calculated. The reactive power prediction model of the wind farm is constructed by using Kalman filter technology. The optimization strategy of dynamic reactive power compensation for wind farms is formulated， and the precise real-time adjustment of reactive power compensation is realized through the synergistic effect of SVG and FC， and the emergency response mechanism is equipped to ensure the stable operation of wind farms. The results show that the design method can significantly improve the power factor of wind farms， so that it can maintain a high level in different operating scenarios.

Key Words： Kalman filter; Large-scale wind farms; Reactive power compensation; Dynamic reactive power regulation; Power factor

隨著全球?qū)稍偕茉葱枨笤黾樱L(fēng)電裝機(jī)容量與發(fā)電量快速增長，而無功功率需求關(guān)乎電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性[1]。因此，進(jìn)行無功補(bǔ)償以提升風(fēng)電場并網(wǎng)性能與電力系統(tǒng)穩(wěn)定性成為研究焦點(diǎn)。

卡爾曼濾波技術(shù)，通過結(jié)合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型和觀測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)，具有估計(jì)精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]，并逐步滲透至電力系統(tǒng)。本文創(chuàng)新性地提出基于卡爾曼濾波技術(shù)的大規(guī)模風(fēng)電場無功補(bǔ)償優(yōu)化方法，旨在提升風(fēng)電場無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，為大規(guī)模風(fēng)電場的并網(wǎng)運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

1" 計(jì)算風(fēng)電場主要設(shè)備無功功率

變壓器的無功損失是由鐵芯激勵(lì)與繞組漏抗共同產(chǎn)生的，需考慮變壓器的多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[3]。將當(dāng)前負(fù)載的有功與無功相結(jié)合，計(jì)算無功損失：

式（1）中：表示空載電流；表示勵(lì)磁電抗；表示負(fù)載的有功功率；表示變壓器原邊電壓；表示短路電抗；表示漏抗。

送電線路的無功損耗：

式（2）中：表示線路負(fù)載的有功功率；表示線路單位長度的串聯(lián)電抗；表示線路的額定電壓；表示線路的實(shí)際電壓；表示線路單位長度的并聯(lián)電納。

式（3）中：假設(shè)風(fēng)機(jī)的有功功率為，功率因數(shù)為，計(jì)算其無功功率：

2" 基于卡爾曼濾波技術(shù)預(yù)測風(fēng)電場無功功率

由于風(fēng)電場的時(shí)變性和不確定性[4]，本文采用卡爾曼濾波技術(shù)對風(fēng)電場的無功功率進(jìn)行預(yù)測。

構(gòu)建一個(gè)狀態(tài)空間模型，描述風(fēng)電場無功功率的動(dòng)態(tài)變化：

式（4）中：表示時(shí)刻風(fēng)電場的無功功率狀態(tài)變量；表示時(shí)刻（即前一時(shí)刻）風(fēng)電場的無功功率狀態(tài)變量；表示時(shí)刻的輸入變量；表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中的隨機(jī)誤差；表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；表示輸入矩陣。

利用風(fēng)電場的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立觀測方程：

式（5）中：表示風(fēng)電場的實(shí)際無功功率輸出；表示觀測矩陣；表示觀測噪聲。

引入卡爾曼濾波技術(shù)，將預(yù)測過程分為預(yù)測更新和測量更新兩個(gè)階段。在預(yù)測更新階段，通過對歷史數(shù)據(jù)的估算，結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，對當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行預(yù)測[5]，如式（6）所示：

在測量更新階段，利用當(dāng)前時(shí)刻的精確觀測值和觀測矩陣，動(dòng)態(tài)調(diào)整的卡爾曼增益矩陣，如式（7）所示：

3" 制定風(fēng)電場動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償優(yōu)化策略

本文將靜止同步補(bǔ)償器SVG與靜態(tài)無功補(bǔ)償器FC結(jié)合的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)作為策略實(shí)施的核心。FC以其大容量特性承擔(dān)基礎(chǔ)無功需求的分級補(bǔ)償任務(wù)，SVG憑借其快速響應(yīng)與精確調(diào)節(jié)能力，負(fù)責(zé)微調(diào)FC補(bǔ)償過程中的任何過補(bǔ)或欠補(bǔ)現(xiàn)象，從而確保無功補(bǔ)償?shù)木珳?zhǔn)性和實(shí)時(shí)性。無功補(bǔ)償優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

4" 實(shí)驗(yàn)

4.1" 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取某具有代表性的大型風(fēng)電場作為實(shí)驗(yàn)研究的對象。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

計(jì)劃實(shí)施定制化的無功補(bǔ)償方案模擬，以更準(zhǔn)確地反映真實(shí)場景下的復(fù)雜變化。融入緊急情況下的無功備用容量評估與調(diào)度策略，確保在電網(wǎng)突發(fā)故障或極端運(yùn)行條件下，風(fēng)電場能夠迅速響應(yīng)，提供必要的無功支撐，維護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)的核心在于直接對比優(yōu)化前后的功率因數(shù)變化，明確指出功率因數(shù)越接近1表示系統(tǒng)運(yùn)行效率越高。優(yōu)化前后功率因數(shù)對比結(jié)果如表2所示。

可以看出，本文方法在不同實(shí)驗(yàn)場景下均展現(xiàn)出了顯著的效果。證明本文方法能夠靈活應(yīng)對各種復(fù)雜工況，為大規(guī)模風(fēng)電場的無功補(bǔ)償提供了可靠的技術(shù)支持。

5" 結(jié)語

本文研究通過引入卡爾曼濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)電場運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)估計(jì)與預(yù)測，從而有效提升了無功補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度與準(zhǔn)確性。展望未來，我們將繼續(xù)深化對卡爾曼濾波技術(shù)在風(fēng)電場無功補(bǔ)償領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，致力于開發(fā)出更加先進(jìn)、高效的無功補(bǔ)償優(yōu)化方法。同時(shí)，我們也將關(guān)注風(fēng)電場與電網(wǎng)的協(xié)同發(fā)展，探索構(gòu)建更加穩(wěn)定、可靠、智能的清潔能源并網(wǎng)系統(tǒng)，為推動(dòng)我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

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