含大容量风电的电力系统无功优化

黄 兴，张 文

(山东大学电气工程学院，山东济南 250061)

摘 要：风电的大规模并网对电力系统无功优化提出了新的挑战。当大容量风电接入电力系统时，风电出力的随机性、波动性可能会引起电网潮流大小、方向的频繁改变，使得原有的无功优化方法不再适合现有情况，需要研究能够考虑风电特点的发电和运行计划方法。本文采用分时段策略来处理风速的波动性，同时将粒子群算法与内点法相结合用于问题的求解。基于上述方法对修改后的IEEE30结点进行仿真计算，结果表明，该方法可行有效，具有一定的实用性。 关键词：电力系统；大容量风电；无功优化；分时段策略；粒子群算法；内点法

0引言

风力发电是风能利用的重要形式，大力发展清洁能源是世界各国的战略选择。2010年，我国风电新增装机容量超过1600万千瓦，累计超过4000万千瓦，风电规模已经位居世界第一。按照国家风电发展规划，2020年，我国风电装机容量有望达到1.5亿千瓦。风能是无污染、能量大、前景广的可再生能源，但由于风电机组出力具有很强的随机性和间歇性[1]，大型风电场并网也给系统带来了诸多问题，如谐波污染、电压波动及闪变等[2]。

本文就含大容量风电的电力系统无功优化展开研究。文献[3]由蒙特卡罗仿真得到各种风电出力状态，并得到对应状态下无功补偿设备最优无功输出结果，该模型无法反映风电出力变化的快速性；文献[4－6]建立了基于场景发生概率的数学模型，将难以用数学模型表示的不确定因素转变为容易求解的多个确定性场景问题来处理，但不能有效利用风速预测信息。

无功优化是一个十分复杂的非线性混合整数规划问题。从研究时间尺度上来讲，传统的无功优化可分为静态无功优化和动态无功优化。若采用静态无功优化方法求解，由于电力负荷及风电随时间的波动性，将使得无功电压控制设备频繁动作，而实际中，无功补偿设备每天允许动作次数有限，因此，本文选择常规发电机组的无功出力以及变压器分接头和电容器组作为控制变量，采用分时段策略，研究一定时间段内风速存在较大波动情况下的动态无功优化问题。

1潮流计算中风场的处理

现代风电机组普遍采用的感应发电机类型主

要包括笼型感应发电机、带有动态转子电阻的绕线转子感应发电机和带有转子交流励磁的双馈感应发电机。

风机的有功出力，主要取决于风速，可通过风机制造厂家提供的风速功率曲线获得。而风机的无功出力则与风机类型相关。潮流计算中，风电机组的节点处理方法有以下两种：

P-Q模型[7]：已知风电场的有功功率，给定风电场的功率因数，算出其无功功率，作为一个普通的负荷节点进行潮流计算。如果考虑感应电机的等值电路，可以把无功写成有功及电机阻抗的函数。

R-X迭代模型[8]：把感应电机的滑差表示成端电压、有功功率及等值支路阻抗的函数，给定初始滑差和风速，计算风机的电功率及机械功率，根据两者的差值修正滑差，反复迭代，直至收敛。

当前风机的主流发展方向是双馈机组(DFIG)，具备一定的无功-电压调节能力，当风机发出的无功功率未超过极限时，处理为PV节点；当无功超过极限时，处理为PQ节点。本文考虑了风场的无功调节能力，所有风场的无功功率均在功率因数±0.9约束下进行调节，控制目标为风机出口端电压为1.0。

风场的模拟方法有很多种。为简单计，本文采用将风场中所有机组统一等值为一台集中机组的方法进行模拟，从而忽略了风场内不同机组处的风速差异和机组出力差异。

2含大容量风电机组的无功优化模型

2.1目标函数

本文的优化过程分为两步：首先用粒子群算法对变压器分接头和电容器组进行求解，在此优化结果的基础上，再用内点法对常规发电机组的无功出力进行优化计算。

设研究周期分为T个时段，由于设备安全约束使得一定时间内变压器分接头及电容器组的机械动作都有一定的次数限制，故在这T个时间段内，对上述无功优化设备只进行一次优化，即只允许它