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风电场无功电压协调控制策略：理论、实践与创新探索

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源结构加速调整的大背景下，可持续能源的开发与利用已成为国际社会共同关注的焦点议题。风能，作为一种清洁、可再生且储量丰富的能源，在众多新能源中脱颖而出，风力发电技术也因此得到了迅猛发展。根据全球风能理事会发布的数据显示，全球累计风电装机容量持续攀升，2023年全球新增风电装机容量更是创历史新高，达到117GW，较前一年同比增长50%，这一数据充分彰显了风能在全球能源格局中愈发重要的地位。

风力发电凭借其显著的环保优势，成为应对全球气候变化、实现能源转型的关键力量。与传统化石能源相比，风能在使用过程中几乎不产生温室气体排放，能够有效减少对自然资源的依赖，对环境保护具有深远意义。同时，随着技术的不断进步，风能发电的成本逐步降低，进一步提升了其在能源市场中的竞争力，吸引了全球范围内的广泛投资与关注。

风电场作为风力发电的集中体现形式，其规模不断扩大，数量日益增多。这些风电场分布在广阔的地域范围内，由于输电网的限制，很多不能直接接入到高压交流电网中，需要通过中压网和低压网连接到高压交流电网中。而风电机组的电路特性和变化的风速等环境影响，使得风电场的有功输出和无功输出难免会有波动，从而对电网电压带来一定的影响。当风电出力增加时，可能会向电网注入过多的无功功率，引起电压升高；而当风电出力减少时，又可能需要从电网吸收无功功率，导致电压降低。并且，风电场接入点的增多，使得电网的潮流分布变得复杂，传统的电压控制手段难以适应这种变化，容易出现电压越限的情况，影响电网的安全稳定运行。

例如，在某些风电渗透率较高的地区电网中，当风速突然变化导致风电场出力大幅波动时，电网电压出现了明显的波动甚至越限，引发了部分电力设备的异常运行，严重威胁到了电网的可靠供电。又如，在一些风电场集中并网的区域，由于缺乏有效的无功电压协调控制策略，风电场与电网之间的无功功率交互紊乱，导致电网损耗增加，电能质量下降，影响了周边用户的正常用电。

因此，研究风电场无功电压协调控制策略具有极其重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，深入研究风电场无功电压协调控制策略，有助于丰富和完善电力系统无功电压控制理论体系，为解决新能源接入带来的电力系统问题提供新的思路和方法。通过对风电场接入后电网无功功率流动特性、电压变化规律等方面的研究，可以进一步揭示新能源与传统电网之间的相互作用机制，推动电力系统理论的发展。在实际应用方面，有效的无功电压协调控制策略能够提高电网对风电场的接纳能力，保障电网的安全稳定运行，促进风电场的健康发展。通过合理控制风电场内风电机组及其他无功补偿设备的无功出力，可以有效维持电网电压的稳定，减少电压波动和闪变，提高电能质量，为用户提供更加可靠的电力供应。优化的控制策略还可以降低电网的有功损耗，提高电力系统的运行效率，降低运行成本，具有显著的经济效益和社会效益。

1.2国内外研究现状

在风电场无功电压协调控制领域，国内外学者和科研机构展开了大量深入研究，取得了一系列具有重要价值的成果，推动了该领域的技术进步与发展。

国外在该领域的研究起步较早，技术和实践经验较为丰富。美国凭借其先进的科研实力，在无功补偿设备研发与智能控制算法应用方面成果显著。美国电力科学研究院（EPRI）通过深入的理论分析和大量实验，成功研发出新型的静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）。这些设备能够快速响应电网无功功率需求的变化，精确地调节无功功率，有效稳定电网电压。例如，在某实际电网应用中，当风电出力突然变化导致无功功率波动时，STATCOM迅速动作，在极短时间内调整无功输出，使电网电压保持在稳定范围内，保障了电力系统的正常运行。美国学者还运用智能算法，如遗传算法、粒子群优化算法等，对风电场无功电压控制策略进行优化。通过遗传算法对风电场无功补偿设备的投切组合进行优化，以最小化电网有功损耗和电压偏差为目标，寻找最优的控制方案。实验结果表明，采用遗传算法优化后的控制策略，能够显著提高风电场无功电压控制的效率和精度，降低电网损耗，提升电能质量。

欧洲在风电场无功电压协调控制的系统集成与工程应用方面处于世界领先水平。丹麦的风电场在无功电压控制领域成绩斐然，通过建立完善的无功电压控制系统，实现了风电机组、无功补偿设备以及电网之间的高度协调控制。该系统能够实时监测风电场的运行状态，根据风速、风电出力、电网电压等多种参数的变化，自动调整风电机组和无功补偿设备的无功出力，确保电网的稳定运行。例如，丹麦某大型风电场的无功电压控制系统，能够根据不同的运行工况，灵活调整无功补偿策略，使风电场并网点电压始终保持在规定的范围内，大大提高了风电场的运行可靠性和电能质量。德国在分布式能源接入电网