基于優化粒子群算法的風電場無功補償研究

張蕾+++王蔚+++孫凌濤

摘 要：在我國新能源結構中，風電占有越來越多的權重，因此對于風電場發出的電能質量也有了更高的要求。風電場電壓是電能質量的一個重要標志，而風電場的電壓又受到無功功率的影響。為了應對無功功率不足的情況，可采用電容器組來補償無功。文章提出一種優化的粒子群算法來對風電場并網時電容器數量進行控制的方法。

關鍵詞：風力發電；無功補償；粒子群算法

引言

隨著風電場數量的增多以及風電在電網電源結構中比例的日漸增多，解決其電壓穩定性的問題的方法也日漸受到關注與研究。一般而言解決方法有無功補償或者合理分配無功等多種方法。時下風電場多采取將電容器組投切入并網點來補償無功功率。對于傳統求解最優無功補償容量方法中采用的遺傳算法，具有耗時，低效率等特點，采用粒子群算法來優化[1]。

1 潮流計算處理方法

分電機組現有恒速和變速兩種機型，對于風電場而言主要采用恒速風機，其中異步電機使用較多。異步電機需要從電網吸收無功功率，但是該電機無法發出無功功率，因此需要就地補償無功功率來維持電網電壓穩定。圖1是常見的異步電機簡化模型，圖中的jxd，jxz，jxl分別代表定子電抗，轉子電抗以及勵磁電抗，Rz是轉子電阻，s是滑差率。

2 無功容量計算方法

2.1 粒子群算法

粒子群算法是基于對鳥群覓食進行研究得到的一種算法[1]，雖然距離第一次提出已經將近20年，但相對于遺傳算法仍然具有多個優點[3]。粒子群算法主要的優點是：（1）每一個粒子都有一個隨機值并在整個空間進行流動；（2）具有記憶功能；（3）個體通過各粒子之間相互合作與競爭來完成優化；（4）其算法優勢在于簡單易實現又具有智能性，非常適合用于工程應用研究之中。

2.2 風電機組無功電壓特性

風電場無功容量補償通過投切電容器組來完成，因此投切規則也應當具體情況具體分析。通常情況下，當風機有功功率比較小時，風機的功率因數變化較大，但是此時的無功功率變化也較為平緩。只有當有功功率超過閾值，并在無功補償設備全部投切入系統，此時的功率因數近似恒定，無功功率和有功功率之間的關系可以近似看做線性關系。風機并網時，母線電壓也會隨著風速的波動而波動，但其值不會隨著有功功率變化而單調變化。研究表明隨著風速變化，其母線電壓可能會在中間速度時越過最大電壓值，因此需要研究從最小到最大風速的所有情況[3]。

2.3 無功容量的確定及計算方法

風電場并網時可以控制投切電容器組，使風電場并網點端電壓在合理上下限內變化。忽略定子、線路以及變壓器無功損耗，考慮風速以及負荷的變化情況，令并網點處電壓逐漸上升，應用潮流計算式，得到不同風速、負荷及電壓值時無功功率的補償容量，從而得到補償空間圖。該空間圖的上下限即所需無功容量的上下限，進而確定無功容量。

具體計算方法：

（1）輸入風電場風機數，風機容量及運行參數，初始化風速參數。

（2）輸入潮流計算參數，負荷參數及系統母線電壓上下限。

（3）設置約束條件的置信水平，粒子群算法參數，終止條件，種群規模。

（4）初始化粒子驗證其可行性，形成初始粒子群位置及速度。

（5）計算粒子適應值。

（6）比較每個粒子的適應值與個體極值，如果較優，更新個體極值。

（7）比較每個粒子將適應值與全局極值，如果較優，更新全局極值。

（8）根據以下公式更新粒子位置和速度：

式中n為當前循環次數；c1=c2=2；c為指定總的循環次數；r1，r2為（0，1）之間的隨機值；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）重復步驟（5）～（8），直到符合終止條件

（10）將最好的粒子作為最優解。

通過控制最優電容器組數投切，從而得到最優無功補償容量，實現了目的。

3 結束語

將粒子群算法用于求解電容器優化分組，可以有效優化無功功率容量補償問題，從而解決風電隨機性導致的母線電壓質量下降問題得出如下結論：（1）采用簡化的異步風機模型，可以得到簡易可行的潮流計算方法，該方法具有簡單實用性。（2）系統母線電壓與風速不成線性關系，電壓水平呈現拱形。（3）采用粒子群算法可以解決以往常用的遺傳算法中缺點，即耗時、低效率等。該算法既能保證可靠、經濟的補償無功容量，又具有準確性。

參考文獻

[1]趙波，郭創新，張鵬翔，等.基于分布式協同粒子群優化算法的電力系統無功優化[J].中國電機工程學報，2005，25（21）：1-7.

[2]邱飛岳，莫雷平，江波，等.基于大規模變量分解的多目標粒子群優化算法研究[J].計算機學報，2016，39（12）：2598-2613.

[3]陳樹勇，申洪，張洋，等.基于遺傳算法的風電場無功補償及控制方法的研究[J].中國電機工程學報，2005，25（8）：1-6.

作者簡介：張蕾，漢族，河南省信陽市人，長春工業大學碩士研究生，研究方向為電力系統及其自動化。

王蔚，漢族，吉林省長春市人，長春工業大學碩士生導師，研究方向為電力系統及其自動化。