基于卡爾曼濾波技術的大規模風電場無功補償優化方法探究

摘" 要：由于風力發電機的輸出具有不確定性和波動性，可能導致電功率因數下降等問題，影響電網的安全穩定運行。因此，提出基于卡爾曼濾波技術的大規模風電場無功補償優化方法。基于風電場設備電氣參數和實時運行狀態，計算設備無功功率。利用卡爾曼濾波技術，構建風電場無功功率預測模型。制定風電場動態無功補償優化策略，通過靜止同步補償器（Static Var Compensator，SVG）與靜態無功補償器（Fixed Capacitor，FC）的協同作用，實現無功補償的精準實時調節，并配套應急響應機制，保障風電場穩定運行。結果表明，設計方法能夠顯著提升風電場的功率因數，使其在不同運行場景下均能保持較高的水平。

關鍵詞：卡爾曼濾波" 大規模風電場" 無功補償" 動態無功調節" 功率因數

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

隨著全球對可再生能源需求增加，風電裝機容量與發電量快速增長，而無功功率需求關乎電網電壓穩定性[1]。因此，進行無功補償以提升風電場并網性能與電力系統穩定性成為研究焦點。

卡爾曼濾波技術，通過結合系統的動態模型和觀測數據，實現對系統狀態的最優估計，具有估計精度高、實時性好等優點，在航空航天等領域廣泛應用[2]，并逐步滲透至電力系統。本文創新性地提出基于卡爾曼濾波技術的大規模風電場無功補償優化方法，旨在提升風電場無功補償的實時性與準確性，為大規模風電場的并網運行提供堅實的技術支撐。

1" 計算風電場主要設備無功功率

變壓器的無功損失是由鐵芯激勵與繞組漏抗共同產生的，需考慮變壓器的多個關鍵參數[3]。將當前負載的有功與無功相結合，計算無功損失：

式（1）中：表示空載電流；表示勵磁電抗；表示負載的有功功率；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：表示線路負載的有功功率；表示線路單位長度的串聯電抗；表示線路的額定電壓；表示線路的實際電壓；表示線路單位長度的并聯電納。

式（3）中：假設風機的有功功率為，功率因數為，計算其無功功率：

2" 基于卡爾曼濾波技術預測風電場無功功率

由于風電場的時變性和不確定性[4]，本文采用卡爾曼濾波技術對風電場的無功功率進行預測。

構建一個狀態空間模型，描述風電場無功功率的動態變化：

式（4）中：表示時刻風電場的無功功率狀態變量；表示時刻（即前一時刻）風電場的無功功率狀態變量；表示時刻的輸入變量；表示狀態轉移過程中的隨機誤差；表示狀態轉移矩陣；表示輸入矩陣。

利用風電場的實時監測數據，建立觀測方程：

式（5）中：表示風電場的實際無功功率輸出；表示觀測矩陣；表示觀測噪聲。

引入卡爾曼濾波技術，將預測過程分為預測更新和測量更新兩個階段。在預測更新階段，通過對歷史數據的估算，結合狀態轉換矩陣，對當前時間進行預測[5]，如式（6）所示：

在測量更新階段，利用當前時刻的精確觀測值和觀測矩陣，動態調整的卡爾曼增益矩陣，如式（7）所示：

3" 制定風電場動態無功補償優化策略

本文將靜止同步補償器SVG與靜態無功補償器FC結合的動態無功補償系統作為策略實施的核心。FC以其大容量特性承擔基礎無功需求的分級補償任務，SVG憑借其快速響應與精確調節能力，負責微調FC補償過程中的任何過補或欠補現象，從而確保無功補償的精準性和實時性。無功補償優化控制結構示意圖如圖1所示。

4" 實驗

4.1" 實驗準備

選取某具有代表性的大型風電場作為實驗研究的對象。結構示意圖如圖2所示。

計劃實施定制化的無功補償方案模擬，以更準確地反映真實場景下的復雜變化。融入緊急情況下的無功備用容量評估與調度策略，確保在電網突發故障或極端運行條件下，風電場能夠迅速響應，提供必要的無功支撐，維護系統安全穩定運行。

4.2" 實驗結果及分析

實驗的核心在于直接對比優化前后的功率因數變化，明確指出功率因數越接近1表示系統運行效率越高。優化前后功率因數對比結果如表2所示。

可以看出，本文方法在不同實驗場景下均展現出了顯著的效果。證明本文方法能夠靈活應對各種復雜工況，為大規模風電場的無功補償提供了可靠的技術支持。

5" 結語

本文研究通過引入卡爾曼濾波技術，實現了對風電場運行參數的實時、精準估計與預測，從而有效提升了無功補償的響應速度與準確性。展望未來，我們將繼續深化對卡爾曼濾波技術在風電場無功補償領域的研究與應用，致力于開發出更加先進、高效的無功補償優化方法。同時，我們也將關注風電場與電網的協同發展，探索構建更加穩定、可靠、智能的清潔能源并網系統，為推動我國能源結構的轉型升級和可持續發展貢獻力量。

參考文獻

[1]馬彥宏，呂清泉，張珍珍，等.考慮儲能系統SOC的雙卡爾曼濾波風電功率波動平抑策略[J].綜合智慧能源，2023，45（2）：61-68.

[2]杜婉琳，梅桂華，馬明，等.考慮諧波諧振和電壓穩定的海上風電場無功優化配置方法[J].全球能源互聯網，2023，6（6）：599-607.

[3]楊鐸烔，俞靖一，葛俊，等.海上風電場自適應多目標無功優化控制策略[J].電力工程技術，2024，43（3）：121-129.

[4]姜昊.風電場無功優化控制策略設計與應用[J].電工技術，2023（17）：6-8.

[5]李澤寬，張飛，任曉穎.計及風電場損耗的風電場無功優化分配策略研究[J].電氣應用，2023，42（5）：9-16.