提高风电场经济运行的风机无功优化方法

摘要

本发明提出一种提高风电场经济运行的风机无功优化方法，该方法在风电机组恒定有功功率控制模式下结合风电场内有功损耗影响的多目标优化的无功功率分配方法，提高风电场经济运行；在风电机组恒定电压控制模式下采用多目标电压波动抑制维持并网点电压稳定，达到对风机无功调节能力的最大利用。其目的是实现风电场的经济运行，以及抑制电压波动，通过对风电场现场数据的采集，建立网络架构模型，在恒功率控制策略下，保证机组功率因数不变，通过无功调控完成经济运行。

说明书

技术领域：本发明属于新能源能量管理领域，涉及一种提高风电场经济运行的风 机无功优化方法。

背景技术：随着风电机组装机容量不断增加，风电渗透率也在不断提高，由于风能 是一种间歇性能源，风电机组的输出功率取决于风速和风向，具有随机性和不可调度性等 特点，导致不能提供持续稳定的电能，造成了风电场内部电压波动，导致风电场的网损增 大，影响风电场的安全稳定运行。为了解决风电场的功率平衡、稳定性和电能质量问题，必 须为风电系统设置更为稳定的控制策略，实现风电场内部能量的实时平衡，减小系统的无 功网损，实现风电场的稳定运行。

在风电机组运行过程中，风机的运行方式有恒功率因数、恒电压控制和恒无功控 制三种运行策略。目前风电场安装的风电机组为变速恒频风电机组，其中双馈风电机组有 恒功率因数与恒电压控制两种运行方式，其本质在于对风电场的无功调度与电压控制策略 的不同，由于国内大部分风场都采用该种机型的风电机组，因此对该类型机组的运行方式 的研究具有重要意义。

发明内容：

发明目的：发明提供一种提高风电场经济运行的风机无功优化方法，其目的是解 决以往所存在的问题。

技术方案：

一种提高风电场经济运行的风机无功优化方法，其特征在于：该方法在风电机组 恒定有功功率控制模式下结合风电场内有功损耗影响的多目标优化的无功功率分配方法， 提高风电场经济运行；在风电机组恒定电压控制模式下采用多目标电压波动抑制维持并网 点电压稳定，达到对风机无功调节能力的最大利用。

该方法风电场现场运行的AVC系统中，使该系统在控制上具有更优性，该方法包括 如下步骤：

步骤1：在接入配电网系统前，获取风电场组成部分基础数据，理论计算目标函数 中各处定量；基于机组参数，搭建发电机组数学模型，为计算机组损耗做前期准备，进一步 获取风电场内部各部分物理参数，搭建整个风电场数学模型；

步骤2：通过风电场数据监控平台，获取风电场中各风电机组运行状态、有功功率 值、风电场其他单元实时数据，此过程中风电场数据采集频率范围为10s～10min，提取数据 并进行筛选，剔除停机或存在故障风机数据；基于实时数据，建立风电场无功电压优化控制 模型；根据调度系统下达的风电场并网点电压指令，若上级系统没有下达指令，则由主控系 统给定指令；以无功功率的时间尺度变化选择两种控制模式；

步骤3：若无功变化尺度以分钟/小时级时间尺度变化，将机组控制方式转换为恒 定有功功率控制，以风电场经济运行为控制目标，建立目标函数，将步骤1和步骤2所获取数 据代入模型中，进行机组无功分配；

步骤4：求解目标函数，得到风机无功调节值；根据并网点实时电压，设计管理流 程，将可调范围内的电压分为五个等级，每个等级对应不同的无功调节量，根据各风电机组 不同的运行状态，将所获得的无功功率值分配到对应的风电机组；

步骤5：若无功变化尺度以毫秒/秒级时间尺度变化，将机组运行模式切换为恒定 电压控制方式；以抑制电压波动为目标，建立目标函数，将步骤1和步骤2所获取数据代入模 型中，进行机组无功分配；

步骤6：风电场内各单元接到无功优化控制指令，根据自身相应情况完成指令，执 行指令后，将响应值与并网点电压反馈给调度系统。

步骤2中通过风电场数据监控平台，获取风电场实时数据和PCC点电压控制指令， 设置PCC点电压波动阀值；

ΔU＝|U_WFcmd-U_WFout|≤ξ

式中，U_WFcmd为风电场并网点期望电压值；U_WFout为风电场并网点实时电压值；ξ为风 电场电压阈值；ΔU为并网点电压偏差值。

数据采集频率为10s～10min之内，对提取数据进行筛选，剔除停机或存在故障风 机数据；利用实时数据，建立风电场调控模型；采集机组相电压、机组相电流、机组有功功 率、机组无功功率、一级母线电压、一级母线电流、二级母线电压、二级母线电流、主变压器 电压、主变压器电流、主变压、有功功率、主变压器无功功率、无功补偿设备功率，保留有效 数据后，进入后台计算阶段。

所述步骤3中，建立以风电场经济优化分配为目标的无功优化函数

min(F)＝w₁P_loss+w₂Q_C+λ₁ΔU_i+λ₂ΔQ_i

式中，P_loss为风电场有功损耗；Q_C为风电场无功补偿设备投入容量；ΔU_i为各节点 电压越限值；ΔQ_i为风机发出无功功率越限值；w₁和w₂为有功网损和无功补偿容量的权重因 子，并且w₁+w₂＝1；λ为罚因子，在计算最优函数，起到约束问题。

步骤3中进行分析计算，首先进行计算风电场潮流计算；根据风电场无功功率随时 间尺度变化，确定风机控制模式，在秒/小时级时，将风机控制方式转换为恒功率控制，计算 风机在以减小网损为目标下的无功可调裕度，保证目标函数的约束条件；建立风电场经济 运行为目标的无功控制数学模型，将步骤1和步骤2所得数据，代入模型中；

风力发电机的损耗主要为风机的铜耗，其表达式为：

$P_{cu}=R_s(I_{sq}^2+I_{sd}^2)+R_r(I_{rd}^2+I_{rq}^2)$

式中，R_s为发电机定子电阻，R_r为发电机转子电阻，I_s为定子电流，I_r为转子电流；

变压器的有功损耗主要表达为：

P_LT＝P_O+β²P_k

式中，P₀为变压器空载损耗，P_k为变压器负载损耗；

变压器中的无功损耗主要分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗损耗；其中，励磁 支路损耗的百分值基本上等于空载电流I_O的百分值，约为1％～2％；绕组漏抗中损耗的百 分值，在变压器满载时，基本上等于短路电压U_k的百分值，约为10％；

$Q_{LT}={\mathrm{\Delta Q}}_0+{\mathrm{\Delta Q}}_T\approx \frac{I_0\%}{100}{S}_N+\frac{U_k\%}{100}{\beta }^2{S}_N$

输电线路由∏形等值电路表示，线路串联的有功损耗与无功损耗与所通过的电流 平方成正比，即：

${\mathrm{\Delta P}}_L=\frac{P_1^2+Q_1^2}{U_1^2}R$

${\mathrm{\Delta Q}}_L=\frac{P_1^2+Q_1^2}{U_1^2}X$

U₂为风电场内PCC连接点电压，经过一段传输线路后与配电网前级电压U₁相连；电 压U₂与接入点注入的有功功率和无功功率有关；当风速出现波动时，会影响系统PCC点母线 电压的稳定，由于母线电压的波动，会增加风电场的网损，造成经济损失，当波动超过10％， 会对风电场的输出功率产生影响，所以需要对PCC点的无功功率进行调控，从而维持U₂的恒 定；

稳态情况下，风电场并网运行，此时风电场为接入地区电网提供电能，采用单位功 率因数控制，整个风电场不与电网交换无功功率；系统电压调整取决于发电机、变压器和电 网参数等，通过确定无功需求，调节其定子电压，与转子电流；

以风电减小有功损耗为目的，建立目标函数

P_loss＝P₁+P₂+P₃

$P_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_{cui}$

$P_2=\left\{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{(P_{mi}^2+Q_{mi}^2)(R_{Ti}+R_{Li})}{U_i^2}\right\}$

P₃＝P_LT

式中，P_mi，Q_mi分别为第i台双馈机组注入母线侧的有功、无功注入量；U为箱变高压 侧母线电压；R_Ti，R_Li分别为折算到箱变高压侧的电阻和集电线路电阻；P₁为风机铜耗；P₂为 线路损耗；P₃变压器有功损耗。

以风电场网损最小为原则，考虑到每台风机有功损耗，机组有功损耗主要为定、转 子铜耗，其中定子电流为

$I_{si}^2=\frac{\sqrt{({P_i}^2+Q_i^2)}}{3U_i}$

转子电流为

$I_{ri}=\frac{I}{X_{mi}}\sqrt{[I_{si}^2(R_{si}^2+X_{1i}^2)+U_i^2+2U_i(\frac{P_i{R}_{si}}{3U_i}-\frac{Q_i{X}_{1i}}{3U_i})]}$

$P_{cui}=3I_{si}^2{R}_{si}+3I_{ri}^2{R}_{ri}$

将P_cui整理成关于Q_i的一元二次表达式

$P_{cui}={\mathrm{aQ}}_i^2+{\mathrm{bQ}}_i+c$

$\left(\begin{array}{c}a=\frac{X_{mi}^2{R}_{si}+R_{si}^2{R}_{ri}+X_{1i}^2{R}_{ri}}{3U_i^2{X}_{mi}^2}\\ b=\frac{2X_{1i}{R}_{ri}}{X_{mi}^2}\\ c=\frac{(R_{si}{X}_{mi}^2+R_{si}^2{R}_{ri}+X_{1i}^2{R}_{ri})P_i^2+6R_{si}{R}_{ri}{U}_i^2{P}_i+9R_{ri}{U}_i^4}{3X_{mi}^2{U}_i^2}\end{array}\right)$

式中，U_i为第i台风机的定子端电压；X_1i＝X_si+X_mi，X_2i＝X_ri+X_mi，其中，X_si、X_m、X_ri分 别为第i台风机的定子漏抗、励磁漏抗和转子漏抗；

线路中的有功损耗用无功损耗进行表达为：

$P_{Li}=Q_{Li}\frac{R_i}{X_i}$

式中，Q_Li为风电场内连接母线至风机集线和箱变的无功损耗值；

升压站中主变压器的有功损耗用无功损耗进行表示：

$P_{LT}=P_0+P_k(\frac{I00Q_{LT}}{S_N{U}_k\%}-\frac{I_O\%}{U_k\%})$

综上，提出包含风电场内风机、箱式变压器、集电线路和主变压器在内的有功网损 最小的目标函数

min(F)＝w₁P_loss+w₂Q_C+λ₁ΔU_i+λ₂ΔQ_i

式中，P_loss为风电场有功损耗；Q_C为风电场无功补偿设备投入容量；ΔU_i为各节点 电压越限值；ΔQ_i为风机发出无功功率越限值；w₁和w₂为有功网损和无功补偿容量的权重因 子，并且w₁+w₂＝1；和为罚因子。

其中优化模型的潮流约束条件为

$P_i=U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\theta }}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\theta }}_{ij})$

$Q_i=U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\theta }}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{sin\theta }}_{ij})$

无功等式约束条件为

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(Q_{mi}-{\mathrm{\Delta Q}}_i)-Q_{LT}=Q_{ref}$

不等式约束

$0\le P_i\le P_{imax}^{ref}$

Q_imin≤Q_i≤Q_imax

V_i^ref-V_i^err≤V_i≤V_i^ref+V_i^err

式中，为第i台机组最大预测发出功率，Q_imax为机组最大无功输出值，Q_imin为机 组最小无功输出值，V_i^err为节点电压波动范围。

所述步骤4中，将并网点电压标幺值划分成不同等级，分别为U_a、U_b、U₀、U_c、U_d，以不 同等级的母线电压作为限幅，对整个控制过程进行管理，保证在减小网损的过程中，兼顾母 线电压质量；令U₀＝1，即不出现异常情况下母线电压，令U_b、U_c分别为U₀的±5％，令U_a、U_d分 别为U₀的±10％；

(1)当U₂处于电压幅值下半区时；

1)U₂≤U_a时，PCC点电压达到波动下限，需风电场提供无功功率，提高电压，风机控 制方式转换为恒电压控制；

2)U_a≤U₂≤U_b时，需要提供无功功率来减小风电场网损，但仍需无功功率保证电 压，此时调节风机无功输出为

$Q=\frac{2U_b-U_2}{U_b}{Q}_{mi}$

3)U_b≤U₂≤U₀时，此区间母线电压等级满足需求，风机提供无功功率减小网损，此 时调节风机无功输出为

Q＝Q_mi

(2)当U₂处于电压幅值上半区时，调节过程与流程(1)类似。

所述步骤5中，建立抑制多目标电压波动的无功优化函数

$Q_{ref}=K_{ref}^U(U_{mea}-U_{ref})+\underset{0}{\overset{T_{ref}^U}{\int }}(U_{mea}-U_{ref})dt+K_{RX}\left[\frac{\underset{0}{\overset{T_{\mathrm{int}}}{\int }}(P_{avg}-P_{mea})dt}{T_{\mathrm{int}}}\right]$

式中，U_mea为并网点实测电压，U_ref为电压参考值，为电压控制增益系数，为 电压误差积分时间常数，K_RX为无功功率补偿增益系数，T_int为控制时间尺度。

首先根据电压实测值与电压参考值，根据风机恒电压控制方式，计算在恒电压控 制方式下，整场的无功需求值；同时引入电压波动抑制函数，求出抑制电压波动的无功参考 值，得到最终无功需求值，根据风电场SCADA数据，在对机组进行无功功率分配时，需充分考 虑各个机组的实时出力情况，运行状况，才能利用算法对机组进行不同的处理。本专利在对 风电机组分类时，主要在两个方面进行考虑的，首先是机组的运行状况，在分配过程中，应 该先对运行状况不好的机组优先考虑；其次考虑风速与风功率预测结果，按照风电场机组 之间的运行状态，将机组分为四类。第一类为下个周期停机机组；第二类为机组调节能力比 前一个控制周期强的机组，第三类为机组调节能力比前一个控制周期弱的机组，第四类为 处于额定风速以上，机组的无功调节能力恒定。机组的分配策略如下。

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{Q}_i=Q_{ref}+Q_{loss}$

式中，Q_ref为抑制电压波动计算得到的风电场无功需求；Q_loss为风电场无功损耗。

Q_i1＝0

$Q_{i2}=({\mathrm{\Sigma Q}}_{i2,t+1}-{\mathrm{\Sigma Q}}_{i2,t})\frac{Q_{i2,t}}{{\mathrm{\Sigma Q}}_{i2,t+1}}+Q_{i2,t}$

$Q_{i3}=({\mathrm{\Sigma Q}}_{i3,t}-{\mathrm{\Sigma Q}}_{i3,t+1})\frac{Q_{i3,t+1}}{{\mathrm{\Sigma Q}}_{i3,t}}+Q_{i3,t+1}$

$Q_{i4}=\frac{Q_{i4,t+1}}{{\mathrm{\Sigma Q}}_{i4,t}}+Q_{i4,t+1}$

式中，Q_ix为第x类第i台风机的无功输出值，Q_ix,t为当前周期的无功输出值，Q_ix,t+1为下一个周期的无功输出值。

优点效果：

本发明提出一种提高风电场经济运行的风机无功优化方法，其目的是实现风电场 的经济运行，以及抑制电压波动，通过对风电场现场数据的采集，建立网络架构模型，在恒 功率控制策略下，保证机组功率因数不变，通过无功调控完成经济运行。在恒定电压控制策 略下，以风电机组与电网的公共连接点电压为控制目标，不断调节机组的无功出力，协调风 电内部无功设备，抑制电压波动。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1.本发明以风电场并网点电压为主要约束，以风电场经济运行为目标，在满足调 度指令要求的同时，实现风电场内高效运行。

2.本发明在风电场并网点在国标允许范围内波动时，划分不同电压等级，根据电 压等级的不同区域与机组不同的运行状况有效减小有功网损。

3.本发明在根据调度下达的指令维持并网点无功电压，抑制多点电压波动，配合 区域电网增强系统电压调控能力。

4.本发明充分利用双馈机组的快速无功调节能力，节省了对风电场集中无功补偿 的投入，降低了风电场运行成本，并加快了响应速度。

附图说明：

图1为风电场的网络拓扑图；

图2为控制方法切换流程图；

图3为电压管理流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

步骤一：在接入系统前，获取风电场组成部分基础数据，计算目标函数中各处定 量。

如图1为风电场的网络拓扑图。

风电场主要由风电机组、变流器、负荷、无功补偿设备、变压器和配电网组成。通过 监测并网点交流母线电压，可以知道风电场内部交流母线电压波动。风机通过控制变流器， 实现恒定有功功率控制与恒定电压控制之间的切换。获取风电机组定子漏抗、风电机组转 子漏抗、风电机组励磁漏抗、风电机组定子电阻、风电机组转子电阻、箱式变压器空载电压、 箱式变压器短路电流、集线型号、集线单位线阻、主变短路电流、主变空载电压数据，通过机 组参数，搭建发电机组数学模型，为计算损耗做前期准备，并且获得风电场内部各部分物理 参数，搭建整个风电场的拓扑模型。

步骤二：通过风电场数据监控平台，获取风电场实时数据和PCC点电压控制指令， 设置PCC点电压波动阀值。

ΔU＝|U_WFcmd-U_WFout|≤ξ

式中，U_WFcmd为风电场并网点期望电压值；U_WFout为风电场并网点实时电压值；ξ为风 电场电压阈值。

数据采集频率为10s～10min之内，对提取数据进行筛选，剔除停机或存在故障风 机数据。利用实时数据，建立风电场调控模型。采集机组相电压、机组相电流、机组有功功 率、机组无功功率、一级母线电压、一级母线电流、二级母线电压、二级母线电流、主变压器 电压、主变压器电流、主变压、有功功率、主变压器无功功率、无功补偿设备功率，保留有效 数据后，进入后台计算阶段。

步骤三：进行分析计算，首先进行计算风电场潮流计算。根据风电场无功功率随时 间尺度变化，确定风机控制模式，在秒/小时级时，将风机控制方式转换为恒功率控制，计算 风机在以减小网损为目标下的无功可调裕度，保证目标函数的约束条件。建立风电场经济 运行为目标的无功控制数学模型，将步骤1和步骤2所得数据，代入模型中。

风力发电机的损耗主要为风机的铜耗，其表达式为：

$P_{cu}=R_s(I_{sq}^2+I_{sd}^2)+R_r(I_{rd}^2+I_{rq}^2)$

式中，R_s为发电机定子电阻，R_r为发电机转子电阻，I_s为定子电流，I_r为转子电流。

变压器的有功损耗主要表达为：

P_LT＝P_O+β²P_k

式中，P₀为变压器空载损耗，P_k为变压器负载损耗。

变压器中的无功损耗主要分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗损耗。其中，励磁 支路损耗的百分值基本上等于空载电流I_O的百分值，约为1％～2％；绕组漏抗中损耗的百 分值，在变压器满载时，基本上等于短路电压U_k的百分值，约为10％。

$Q_{LT}={\mathrm{\Delta Q}}_0+{\mathrm{\Delta Q}}_T\approx \frac{I_0\%}{100}{S}_N+\frac{U_k\%}{100}{\beta }^2{S}_N$

输电线路由∏形等值电路表示，线路串联的有功损耗与无功损耗与所通过的电流 平方成正比，即：

${\mathrm{\Delta P}}_L=\frac{P_1^2+Q_1^2}{U_1^2}R$

${\mathrm{\Delta Q}}_L=\frac{P_1^2+Q_1^2}{U_1^2}X$

针对图1所示的拓扑结构，U₂为风电场内PCC连接点电压，经过一段传输线路后与 配电网前级电压U₁相连。电压U₂与接入点注入的有功功率和无功功率有关。当风速出现波动 时，会影响系统PCC点母线电压的稳定，由于母线电压的波动，会增加风电场的网损，造成经 济损失，当波动超过10％，会对风电场的输出功率产生影响，所以需要对PCC点的无功功率 进行调控，从而维持U₂的恒定。

如图2所示控制方法切换流程图。

稳态情况下，风电场并网运行，此时风电场为接入地区电网提供电能，采用单位功 率因数控制，整个风电场不与电网交换无功功率。系统电压调整取决于发电机、变压器和电 网参数等，通过确定无功需求，调节其定子电压，与转子电流。

以风电减小有功损耗为目的，建立目标函数

P_loss＝P₁+P₂+P₃

$P_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_{cui}$

$P_2=\left\{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{(P_{mi}^2+Q_{mi}^2)(R_{Ti}+R_{Li})}{U_i^2}\right\}$

P₃＝P_LT

式中，P_mi，Q_mi分别为第i台双馈机组注入母线侧的有功、无功注入量；U为箱变高压 侧母线电压；R_Ti，R_Li分别为折算到箱变高压侧的电阻和集电线路电阻。

以风电场网损最小为原则，考虑到每台风机有功损耗，机组有功损耗主要为定、转 子铜耗，其中定子电流为

$I_{si}^2=\frac{\sqrt{({P_i}^2+Q_i^2)}}{3U_i}$

转子电流为

$I_{ri}=\frac{I}{X_{mi}}\sqrt{[I_{si}^2(R_{si}^2+X_{1i}^2)+U_i^2+2U_i(\frac{P_i{R}_{si}}{3U_i}-\frac{Q_i{X}_{1i}}{3U_i})]}$

$P_{cui}=3I_{si}^2{R}_{si}+3I_{ri}^2{R}_{ri}$

将P_cui整理成关于Q_i的一元二次表达式

$P_{cui}={\mathrm{aQ}}_i^2+{\mathrm{bQ}}_i+c$

$\left(\begin{array}{c}a=\frac{X_{mi}^2{R}_{si}+R_{si}^2{R}_{ri}+X_{1i}^2{R}_{ri}}{3U_i^2{X}_{mi}^2}\\ b=\frac{2X_{1i}{R}_{ri}}{X_{mi}^2}\\ c=\frac{(R_{si}{X}_{mi}^2+R_{si}^2{R}_{ri}+X_{1i}^2{R}_{ri})P_i^2+6R_{si}{R}_{ri}{U}_i^2{P}_i+9R_{ri}{U}_i^4}{3X_{mi}^2{U}_i^2}\end{array}\right)$

式中，U_i为第i台风机的定子端电压；X_1i＝X_si+X_mi，X_2i＝X_ri+X_mi，其中，X_si、X_m、X_ri分 别为第i台风机的定子漏抗、励磁漏抗和转子漏抗。

线路中的有功损耗用无功损耗进行表达为：

$P_{Li}=Q_{Li}\frac{R_i}{X_i}$

式中，Q_Li为风电场内连接母线至风机集线和箱变的无功损耗值。

升压站中主变压器的有功损耗用无功损耗进行表示：

$P_{LT}=P_0+P_k(\frac{100Q_{LT}}{S_N{U}_k\%}-\frac{I_O\%}{U_k\%})$

综上，提出包含风电场内风机、箱式变压器、集电线路和主变压器在内的有功网损 最小的目标函数

min(F)＝w₁P_loss+w₂Q_C+λ₁ΔU_i+λ₂ΔQ_i

式中，P_loss为风电场有功损耗；Q_C为风电场无功补偿设备投入容量；ΔU_i为各节点 电压越限值；ΔQ_i为风机发出无功功率越限值；w₁和w₂为有功网损和无功补偿容量的权重因 子，并且w₁+w₂＝1；λ为罚因子。

其中优化模型的潮流约束条件为

$P_i=U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\theta }}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\theta }}_{ij})$

$Q_i=U_i\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\theta }}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{sin\theta }}_{ij})$

无功等式约束条件为

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(Q_{mi}-{\mathrm{\Delta Q}}_i)-Q_{LT}=Q_{ref}$

不等式约束

$0\le P_i\le P_{imax}^{ref}$

Q_imin≤Q_i≤Q_imax

V_i^ref-V_i^err≤V_i≤V_i^ref+V_i^err

式中，为第i台机组最大预测发出功率，Q_imax为机组最大无功输出值，Q_imin为机 组最小无功输出值，V_i^err为节点电压波动范围。

步骤四：调用PSO粒子群算法计算目标函数，将含有n台风电机组的大型风电场可 以视为PSO算法中粒子的n个变量组合，风力发电机组的无功输出值可视为粒子中变量的 值，目标函数值视为PSO算法的适应度。这样风电场双馈风力发电机组的无功出力优化问题 就转化为目标函数的寻优问题。计算得到风机无功调节值。通过管理流程，将可调范围内的 电压分为五个等级，每个等级对应不同的无功调节量，调节风机输出无功功率。

如图3所示电压管理流程图。

在恒功率控制方式下，对风机进行调节，进而减小整个风电场的有功网损。调节过 程中，将PCC点电压标幺值划分成不同等级，分别为U_a、U_b、U₀、U_c、U_d，以不同等级的母线电压 作为限幅，来对整个控制过程进行管理，保证在减小网损的过程中，兼顾母线电压质量。令 U₀＝1，即不出现异常情况下母线电压；令U_b、U_c分别为U₀的±5％；令U_a、U_d分别为U₀的± 10％。

(1)当U₂处于电压幅值下半区时。

1)U₂≤U_a时，PCC点电压达到波动下限，需风电场提供无功功率，提高电压，风机控 制方式转换为恒电压控制。

2)U_a≤U₂≤U_b时，需要提供无功功率来减小风电场网损，但仍需无功功率保证电 压，此时调节风机无功输出为

$Q=\frac{2U_b-U_2}{U_b}{Q}_{mi}$

3)U_b≤U₂≤U₀时，此区间母线电压等级满足需求，风机提供无功功率减小网损，此 时调节风机无功输出为

Q＝Q_mi

(2)当U₂处于电压幅值上半区时，调节过程与流程(1)类似。

步骤五：当风电场无功功率变化尺度达到毫秒/秒级，风机控制切换为恒电压控制 方式。恒电压控制侧重于提高电压稳定性，通过跟踪风电场并网点电压闭环控制风机无功 功率维持并网点电压波动为零。相对电压波动如下式所示。

$\left|\frac{{\mathrm{\Delta U}}_{POI}}{U_{POI}}\right|\approx \left|\frac{{\mathrm{\Delta P}}_{POI}{R}_{POI}+{\mathrm{\Delta Q}}_{POI}{X}_{POI}}{U_{POI}^2}\right|\approx 0$

在产生大幅度功率波动时，需嵌入电压波动抑制辅助控制。基于恒电压控制的多 目标电压波动抑制的无功参考值为：

$Q_{ref}=K_{ref}^U(U_{mea}-U_{ref})+\underset{0}{\overset{T_{ref}^U}{\int }}(U_{mea}-U_{ref})dt+K_{RX}\left[\frac{\underset{0}{\overset{T_{\mathrm{int}}}{\int }}(P_{avg}-P_{mea})dt}{T_{\mathrm{int}}}\right]$

式中，U_mea为并网点实测电压，U_ref为电压参考值，为电压控制增益系数，为 电压误差积分时间常数，K_RX为无功功率补偿增益系数，T_int为控制时间尺度。

首先根据电压实测值与电压参考值，根据风机恒电压控制方式，计算在恒电压控 制方式下，整场的无功需求值；同时引入电压波动抑制函数，求出抑制电压波动的无功参考 值，得到最终无功需求值，求出抑制电压波动的无功参考值，得到最终无功需求值，根据风 电场SCADA数据，在对机组进行无功功率分配时，需充分考虑各个机组的实时出力情况，运 行状况，才能利用算法对机组进行不同的处理。本专利在对风电机组分类时，主要在两个方 面进行考虑的，首先是机组的运行状况，在分配过程中，应该先对运行状况不好的机组优先 考虑；其次考虑风速与风功率预测结果，按照风电场机组之间的运行状态，将机组分为四 类。第一类为下个周期停机机组；第二类为机组调节能力比前一个控制周期强的机组，第三 类为机组调节能力比前一个控制周期弱的机组，第四类为处于额定风速以上，机组的无功 调节能力恒定。机组的分配策略如下。

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{Q}_i=Q_{ref}+Q_{loss}$

式中，Q_ref为抑制电压波动计算得到的风电场无功需求；Q_loss为风电场无功损耗。

Q_i1＝0

$Q_{i2}=({\mathrm{\Sigma Q}}_{i2,t+1}-{\mathrm{\Sigma Q}}_{i2,t})\frac{Q_{i2,t}}{{\mathrm{\Sigma Q}}_{i2,t+1}}+Q_{i2,t}$

$Q_{i3}=({\mathrm{\Sigma Q}}_{i3,t}-{\mathrm{\Sigma Q}}_{i3,t+1})\frac{Q_{i3,t+1}}{{\mathrm{\Sigma Q}}_{i3,t}}+Q_{i3,t+1}$

$Q_{i4}=\frac{Q_{i4,t+1}}{{\mathrm{\Sigma Q}}_{i4,t}}+Q_{i4,t+1}$

式中，Q_ix为第x类第i台风机的无功输出值，Q_ix,t为当前周期的无功输出值，Q_ix,t+1为下一个周期的无功输出值。

步骤六：风电场内各个单元接到无功优化控制指令，以自身情况完成指令，执行指 令后，将并网点电压反馈给调度系统。

本发明提供的无功控制方法能有效减少风电场内有功网损，通过两种控制模式的 切换，保证了风电场内电压稳定性，减小了无功补偿设备的的投资，并能参与电网的无功电 压调节，从而提高了经济效益。