胡勇

（福建省福能新能源有限责任公司，福建 莆田 351146）

风电场并入电网是优化电网能源结构的重要举措，在填补能源缺口、克服环境污染等方面发挥优势作用。但考虑到风力发电具有间歇性、反调峰等特性，在并网运行时将吸收系统中的无功功率、产生6 ～8 倍的冲击电流，由此削弱电压质量、增加电能损耗，因此，需依托无功补偿容量的优化配置保障电网安全运行。

1 无功功率补偿点与无功补偿容量的优化模型

1.1 无功补偿节点优化模型

（1）无功损耗构成。当前，国内采用的风电机组主要包含两种类型：其一是双馈式变速恒频风电机组，其无功补偿容量应控制在总装机容量的10%左右；其二是基于永磁同步发电机的直驱式风电机组，利用变流器调节无功功率，不从系统中吸收无功功率，因此，可忽略其无功补偿容量。

在变压器无功损耗ΔQT的计算上，设空载无功损耗为ΔQ0，负载无功损耗为ΔQS，变压器额定容量、视在功率分别为SN和S，空载电流、短路阻抗的百分数分别为I0%和UK%，则其计算公式为：

在线路无功损耗ΔQ 的计算上，设线路有功功率、无功功率分别为P 和Q，电路电压与电抗分别为U 和X，则其计算公式为：

（2）电压/无功灵敏度计算。设风电场内共有n 个节点，由npq个PQ 节点、npv个PV 节点及1 个平衡节点组成，在极坐标系下建立牛顿-拉夫逊法潮流方程：

考虑到电压幅值与系统无功功率、有功功率分别为强耦合和弱耦合，因此，可假设有功功率ΔP=0，系统电压/无功灵敏度矩阵为S，则：

针对该模型进行线性优化，将风电场补偿前的系统电压/无功灵敏度矩阵设为M，得出：

其中，电压/无功灵敏度取值为正数时，表示系统处于稳定运行状态，且数值越小说明系统稳定性越强；当电压/无功灵敏度取值为负数时，说明系统处于非稳定运行状态，需调节无功补偿容量进行优化。

（3）优化模型。设在风电场内共有N0个无功补偿节点，其集合表示为G={g1,g2,…,gn0}，集合总数为Card()。在配置无功补偿设备后，风电场内电压ΔV 与无功功率ΔQ 的关系，以及电压/无功灵敏度变化D 分别表示为：

其中，diag()代指提取m 阶矩阵对角元素形成的m 维列向量。电压/无功灵敏度指标取值越大，则说明补偿效应得到充分发挥。基于迭代法进行算法组合优化，得出无功补偿节点优化选择模型为：

1.2 基于改进遗传算法的无功补偿容量优化模型

（1）遗传算法。遗传算法是一种寻求复杂问题最优解的随机优化方法，但在实际应用时，存在编码方式不确定性、易过早收敛于局部最优、迭代速度较慢等缺陷，因此，需针对常规遗传算法进行改进，确保种群向最优区域移动。

（2）改进遗传算法。基于信息熵的亲和度计算方法，设个体数目为N 个，符号集大小为s，利用Pij表示第i 个个体等位基因源于第j个基因的概率，则j个基因的信息熵计算公式为：

假设个体基因均保持一致，即Hj(N)取值为0，设个体数码串的长度为L，则个体基因多样性的信息熵计算公式为：

由此可推导出，2 个个体的亲和度计算公式为：

其中，0 ≤A ≤1，A 取值越大则说明2 个个体间的相似度越高，当A=1 时说明2 个个体基本保持一致。利用改进后的遗传算法生成初始参照种群，保障搜索遍历整个解的空间，由此求得全局最优解。

1.3 实际运行效果

以福建莆田区某风电场为例，该风电场共设有24 台2MW风力发电机，以6 台为一组，总装机容量为48MW；风机的间距设为0.5km，每台均配有0.69/35kV 箱式变压器，可升压至35kV；风电汇流站设有50MVA 升压变压器，将各风电机集中升压至110kV 后并入电网系统中。将本文设计的无功补偿优化模型应用于该风电场中，基于风电场满载情况下的无功功率确定其有功出力，针对双馈、永磁风电场分别配置2.5Mvar 的容性、感性动态无功补偿，将静态补偿、动态补偿之和作为风电场无功补偿容量。用于解决静止电容器投切存在的无法连续调节无功功率问题。通过观察实际运行效果可知，配置无功补偿容量后基本可使风电场实现零无功功率输出，且无功补偿效果较好，可实现对无功电压的有效控制，维护电网安全稳定运行。

2 风电场调节无功策略创新

2.1 风电场集群无功电压分层控制策略

（1）无功电压分层控制模型建立。在目标函数的建立上，首先，风电场集群的单场中有m 个节点，各节点的当前电压值为Uj、设计值为Ujref，则其电压需满足：

其次，基于风电场运行成本因素的考量，设风电场单场内的网损为Ploss，则依据经济性指标应使其满足：

再次，为保障集群内各风电场无功裕度符合标准，设风机发出无功功率的极限值为Qimax，则应使其满足：

最后，将上述模型进行汇总，生成风电场集群的总目标函数：

在约束条件的设计上，设SV G 设备可调节无功功率为QB，风机可调节无功功率为Qjk，单一风电场联结点处的电压值为Ul，则补偿设备、风机的无功调节范围及联结点处的电压安全裕度应分别满足：

（2）仿真分析结果。将无功电压分层控制模型应用于风机、SVG 设备无功功率的求解中，设各风电场内风机的无功裕度保持一致，将控制周期取值为10min，当风电场无功功率到达极限时由SVG 负责承担无功功率，在此模式下，风电场集群内的风电机组均参与无功分配，通过在场间层、场内层分别设置风场、风机的无功裕度，能够有效提升风机无功裕度的百分比，且计算时长控制在60s 左右，更好地优化电压与网损。

2.2 基于SVG 的风电场无功电压协调控制系统设计

（1）无功电压协调控制系统设计。利用无功电压协调控制系统进行各风电机组独立控制系统的统一控制，从电网调度系统处接收电压指令值，将其与并网节点处的实测电压值进行比较，结合电压偏差判断是否需进行无功调整，并计算出具体的调整量。当风电机组无功容量较小时，可调节SVG 无功输出；当接收到无功功率指令值后无法调节风电机无功功率，则需调节SVG 无功输出。

在电压偏差指标计算上，将风电场并网点的实测电压值设为VPCC，调度系统下发的电压指令值为VrefPCC，允许控制误差为VerrPCC，则其关系式表示为：

在无功补偿容量计算上，将算法与PI 调节进行整合，设电压指令为Uref，当前周期与上一周期的母线电压分别为U2和U1、无功功率分别为Q2和Q1。电压指令值与实测值之差经由PI 控制器输出无功需求调整量Qw_ref，则增量式PI算法表示为：

系统阻抗X 的计算公式为：

设所需调节的风电场并网点的电压目标值为UrefPCC，则无功需求调整量的计算公式为：

为保障风电机组的无功调控能力得到有效发挥，且同时确保不影响机组运行工作寿命，需设置无功储备极限参数K0，用于将风电机组的无功调控值控制在允许范围内，控制机组与SVG 保持同步动作。设机组当前运行时刻的无功极限值为Qtotal_max，控制系统分配给机组和SVG 的无功功率分别为QWT_ref、QSVG_ref，其计算公式为：

（2）应用实例分析。以某双馈电机小型风电场为例，该风电场共包含3 台1.5MW 的风电机组、1 台主变压器与1套SVG 设备，各机组分别配有1 台箱式变压器，SVG 设备的容量为-3 ～3Mvar。将SVG 装置接入升压站主变低压侧，以该点作为电压控制点、确定电压控制指令，利用协调控制系统进行无功电压的调节。通过观察实际应用结果可知，在12m/s 的湍流风作用下，利用风电机组与SVG 可保障控制点跟踪电压控制指令、做出及时响应，且优先调节风电机组的无功出力，可以有效减少SVG 无功投入，能够大幅节约风电场SVG 投资、提升经济效益。

3 结语

风机、变压器和线路是风电场无功功率需求的主要来源，不同风电机组选型对于风电场的无功功率特性也将产生一定影响。据CREIA、CWEA、GWEC 等机构预测，2020 年风电装机规模将突破250GW，在电网容量中占比达8%以上，因此，更应优化无功补偿容量计算与无功功率控制水平，保障电力系统安全稳定运行。