含VSC-HVDC系統(tǒng)的風(fēng)光并網(wǎng)極限容量的研究

張 昕，杜俊杰，曾 東，溫 鎮(zhèn)，章慧蕓

（國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

含VSC-HVDC系統(tǒng)的風(fēng)光并網(wǎng)極限容量的研究

張 昕，杜俊杰，曾 東，溫 鎮(zhèn)，章慧蕓

（國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

在含電壓源換流器和全控型開關(guān)器件為基礎(chǔ)的VSC-HVDC中，引入風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)則是一種新能源與新技術(shù)的結(jié)合，這種結(jié)合不僅能夠解決了傳統(tǒng)高壓直流輸電中的許多技術(shù)難點，同時也加強(qiáng)了地區(qū)能源資源優(yōu)化配置，提高了系統(tǒng)供電的可靠性。在VSC-HVDC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，考慮風(fēng)光資源不穩(wěn)定的特性，建立了風(fēng)光接入的最優(yōu)模型，通過最優(yōu)潮流理論分析，求解風(fēng)光接在不同節(jié)點的極限并網(wǎng)容量，并以30節(jié)點的算例進(jìn)行驗證，證明該方法的有效性。

VSC-HVDC；風(fēng)光并網(wǎng)極限容量；內(nèi)點法

0 引言

以電壓源換流器和全控型開關(guān)器件為基礎(chǔ)的VSC-HVDC（電壓源換流器高壓直流輸電）成為了新一代的直流輸電技術(shù)，解決了傳統(tǒng)高壓直流輸電（HVDC）中的許多技術(shù)難點，具有諸多優(yōu)點，同時也成為眾多學(xué)者的研究熱點[1-4]。而21世紀(jì)傳統(tǒng)能源危機(jī)和氣候惡化，導(dǎo)致風(fēng)電、光伏發(fā)電等清潔可再生能源發(fā)電技術(shù)勢必成為主流[5，6]。在含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)中，研究可再生能源并網(wǎng)容量，能夠提高風(fēng)能、太陽能等可再生資源利用率，而計算其最大容量，需要計算滿足一定穩(wěn)定約束條件下電力系統(tǒng)方程。目前，國內(nèi)外普遍使用風(fēng)電場穿透功率極限描述風(fēng)電場并網(wǎng)最大容量。

VSC-HVDC的元件特性及數(shù)學(xué)模型與傳統(tǒng)HVDC模型存在較大差異，在計算含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)中風(fēng)光并網(wǎng)極限容量時，原有的算法已不再適用，需要重新推導(dǎo)。文獻(xiàn)[7，8]介紹了瞬時風(fēng)電穿透概念和各國有關(guān)風(fēng)電穿透功率的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[9，10]分別采用遺傳算法和改進(jìn)粒子群算法來計算風(fēng)電最大接入容量，但是人工智能算法屬于隨機(jī)搜索方法，應(yīng)用于大規(guī)模電力系統(tǒng)計算速度相對較慢，且每次計算結(jié)果可能有差異。文獻(xiàn)[11]基于牛頓-拉夫遜法提出了含VSC-HVDC交直流系統(tǒng)的OPF（最優(yōu)潮流）問題的解決方案，但由于該方法普遍采用迭代試驗法，通過編程實現(xiàn)存在難度，同時也不適用于風(fēng)光并網(wǎng)極限容量的計算。文獻(xiàn)[12]采用內(nèi)點算法，可以有效地計算電網(wǎng)在極限運行狀態(tài)下的風(fēng)電接入能力，但該文獻(xiàn)基于某一固定網(wǎng)絡(luò)分析，沒有得出一般性的規(guī)律，且沒有考慮VSC-HVDC系統(tǒng)。綜上可知，內(nèi)點法計算速度快、實用性強(qiáng)，尤其適用風(fēng)、光電場在發(fā)電系統(tǒng)中所占比例不太大情況下的優(yōu)化計算。

以下從系統(tǒng)的最優(yōu)潮流入手，建立交直流系統(tǒng)中風(fēng)光接入能力最優(yōu)模型，考慮風(fēng)電電壓和光伏發(fā)電功率因數(shù)約束，用內(nèi)點法對風(fēng)光并網(wǎng)極限容量進(jìn)行求解，驗證模型的有效性。

1含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.1 含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)功率穩(wěn)態(tài)方程

含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)一般由交流系統(tǒng)、換流站和直流網(wǎng)絡(luò)3部分組成（見圖1）。

圖1 含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)示意圖

可令換流器的輸入電壓為Uci=Uci∠θci；注入該節(jié)點的交流節(jié)點的電壓為交流系統(tǒng)流入換流變壓器的功率為Psi+jQsi，流入換流橋的功率為Pci+jQci，換流站換流變壓器的等效阻抗為Ri+jXLi。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]推導(dǎo)，得到交直流系統(tǒng)的修正方程見式（1）。對交流節(jié)點，其節(jié)點功率平衡方程與傳統(tǒng)潮流計算一致。

式中：i，j代表了節(jié)點的編號；P，Q，U分別代表有功功率、無功功率與電壓幅值；分別代表注入節(jié)點i的有功功率和無功功率；ΔPi，ΔQi為節(jié)點i的節(jié)點功率偏差；j∈i表示與i節(jié)點相連的所有節(jié)點；θij，Gij，Bij為節(jié)點i，j間的相角差、電導(dǎo)以及電納。

直流系統(tǒng)的修正方程見式（3）：

根據(jù)求解變量的個數(shù)，需要增加直流網(wǎng)絡(luò)方程：

式中：Idi為直流節(jié)點的電流；ΔIdi為直流網(wǎng)絡(luò)電流偏差；Rdij代表直流節(jié)點i，j間電阻。

1.2 含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)控制方式

含VSC-HVDC交直流系統(tǒng)的控制方式比較靈活，一般將以下變量作為控制目標(biāo)：直流節(jié)點上的交流電壓Us、直流電壓Ud、流入環(huán)流變壓器的交流功率Ps和Qs。在進(jìn)行潮流計算或最優(yōu)潮流計算時，系統(tǒng)中每個VSC需要選擇2個控制變量，一般有如下4種組合[12]：定Ud、定Qs控制；定Ud、定Us控制；定Ps、定Qs控制；定Ps、定Us控制。對常見的兩端交直流系統(tǒng)而言，其控制方式組合為上述兩兩組合，而對于多段或多饋入系統(tǒng)而言，組合方式將更加多元化。

2 含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)風(fēng)光極限容量計算模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)以風(fēng)為動力，輸出特性會直接受風(fēng)速影響。風(fēng)的隨機(jī)波動性和間歇性決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率也是波動和間歇的，光伏陣列的輸出功率是受負(fù)荷狀況和外部環(huán)境（光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等）影響的非線性函數(shù)。在一個含有風(fēng)光的電力系統(tǒng)中，可以將風(fēng)電場和光伏電站分別等效為可控電源。通常風(fēng)電場應(yīng)具備無功功率控制能力，在公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍內(nèi)時，風(fēng)電場應(yīng)能控制并網(wǎng)點電壓偏差在額定電壓的-3%～7%范圍內(nèi)。大型和中型光伏電站的功率因數(shù)應(yīng)能夠在0.98（超前）～0.98（滯后）范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。計算風(fēng)光最大接入容量的最優(yōu)潮流模型見式（5）：

式中等式約束條件h（x）包括：交、直流節(jié)點的有功、無功潮流方程式（1）和式（2）；直流節(jié)點方程式（3）和式（4）；直流系統(tǒng)控制方式方程以及光伏發(fā)電機(jī)有功、無功關(guān)系見式（6）。

式中：PPV，QPV分別為光伏電站輸出的有功、無功功率；cosαPV為功率因數(shù)。

不等式約束條件g（x）主要是變量的上下限約束，包括：電源的有功、無功出力；交直流節(jié)點電壓；直流調(diào)制度；注入直流節(jié)點為有功、無功功率和光伏電站的功率因數(shù)上下限。文中取光伏電站的功率因數(shù)在0.98（超前）～0.98（滯后）范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

內(nèi)點法的具體求解過程參見文獻(xiàn)[15]，需要注意的是，求解過程中的等式、不等式約束皆應(yīng)考慮直流參數(shù)與直流方程，受其影響的雅克比矩陣與海森伯矩陣也應(yīng)相應(yīng)改變；此外，為了迅速找到最優(yōu)解，設(shè)定風(fēng)電場和光伏電站的初始有功出力為功率上限，而常規(guī)火電機(jī)組的初始有功出力為其最低保證出力，其他初始值（如節(jié)點電壓幅值和相角）直接采用平直起動。

3 算例分析

以30節(jié)點系統(tǒng)為例進(jìn)行計算，改造后30節(jié)點含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)有30個節(jié)點，其中發(fā)電機(jī)節(jié)點6個，負(fù)荷節(jié)點（包括發(fā)電機(jī)-負(fù)荷節(jié)點）20個，線路41條。直流參數(shù)見表1。

圖2 改造后30節(jié)點含VSC-HVDC交直流系統(tǒng)示意圖

表1 30節(jié)點系統(tǒng)直流參數(shù)p.u.

對各參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍作以下的約定：對于連續(xù)變量，節(jié)點的電壓范圍設(shè)為[0.9,1.1]；對含風(fēng)電場的節(jié)點，電壓范圍為[0.97，1.03]，VSC-HVDC的調(diào)制度范圍限設(shè)為[0.5，1.0]，直流電壓范圍設(shè)定為[1.5，2.5]，含光伏電站的節(jié)點功率因數(shù)為0.98（超前）～0.98（滯后），有功輸電容量范圍為[-3.0，3.0]，無功輸電容量范圍為[-3.0，3.0]，基準(zhǔn)容量為100 MVA。收斂條件設(shè)定為當(dāng)對偶間隙小于10-6停止時計算，最大迭代次數(shù)設(shè)定為100次。

直流系統(tǒng)的控制方式為：VSC1設(shè)定定電壓控制和定無功功率控制，VSC2設(shè)定定有功功率控制和定交流節(jié)點電壓控制。

風(fēng)光并網(wǎng)有2種規(guī)劃方案可供選擇：方案1是風(fēng)電場和光伏電站組成風(fēng)光互補發(fā)電廠經(jīng)升壓后接入同一節(jié)點，此方案充分考慮了太陽能與風(fēng)能在時間、空間上的互補性。方案2是風(fēng)電場與光伏電站接在系統(tǒng)不同節(jié)點上，此方案下，若風(fēng)光點距離較近或者風(fēng)光容量在系統(tǒng)中比重較大，風(fēng)光的互補性也能得到利用。30節(jié)點算例中，6個發(fā)電機(jī)節(jié)點的編號為1—6，其中1號節(jié)點為平衡節(jié)點，由于風(fēng)光接在不同節(jié)點時，最大容量有所不同，故將已有的火電機(jī)組分別置換為風(fēng)電與光伏機(jī)組，其中1號平衡節(jié)點的發(fā)電機(jī)組保留，不予置換。

30節(jié)點系統(tǒng)機(jī)組出力限值見表2。

表2 30節(jié)點系統(tǒng)機(jī)組出力限值p.u.

按照方案1，將發(fā)電機(jī)節(jié)點依次置換為風(fēng)光互補機(jī)組，經(jīng)計算，極限容量見表3。在OPF2方式下，以風(fēng)光機(jī)組置換3號機(jī)組為例，計算收斂結(jié)果見圖3。

表3 風(fēng)光電源接在同一節(jié)點上的極限容量p.u.

圖3 方案1計算收斂曲線

按照方案2，2臺發(fā)電機(jī)分別置換為風(fēng)電機(jī)組和光伏電站，經(jīng)計算，極限容量見表 4。在OPF1方式下，以風(fēng)光機(jī)組分別置換3號、4號機(jī)組為例，計算收斂結(jié)果見圖4。

對比表3和表4可以發(fā)現(xiàn)：

（1）按方案1，在OPF1方式下，在接入節(jié)點6時的極限容量最大；在OPF2方式下，在接入節(jié)點2時的極限容量最大，風(fēng)電場和光伏電站的并網(wǎng)容量之和不應(yīng)超過該值。

（2）按方案2，在OPF1方式下，節(jié)點2置換為風(fēng)電機(jī)組，節(jié)點3置換為光伏電站時的極限容量最大；在OPF2方式下，節(jié)點6置換為風(fēng)電機(jī)組，節(jié)點2置換為光伏電站時的極限容量最大，系統(tǒng)可接受的風(fēng)光極限容量最大。

可見，在帶負(fù)荷節(jié)點接入風(fēng)光機(jī)組可直接平衡當(dāng)?shù)刎?fù)荷，一般來說，負(fù)荷越大，節(jié)點聯(lián)絡(luò)線越多，該節(jié)點所能接受的風(fēng)光容量就越大。

表4 風(fēng)光電源接在不同節(jié)點上的極限容量

圖4 方案2計算收斂曲線

4 結(jié)論

針對含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)，基于最優(yōu)潮流理論，建立了風(fēng)光接入能力的最優(yōu)潮流模型，采用內(nèi)點法進(jìn)行計算，通過30節(jié)點系統(tǒng)算例驗證了該方法的有效性。通過該方法能夠在系統(tǒng)設(shè)計時，充分考慮資源能源優(yōu)化配置，提高可再生能源并網(wǎng)的發(fā)電容量。

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（本文編輯：方明霞）

Capacity Limit Research on Grid Integration of Wind and PV Power with VSC-HVDC Systems

ZHANG Xin，DU Junjie，ZENG Dong，WEN Zheng，ZHANG Huiyun

（State Grid Jiaxing Power Supply Company，Jiaxing Zhejiang 314000，China）

In VSC-HVDC system with voltage source converter and full control switch device，the introduction of hybrid wind/PV power generation combines new energy and new technology，which can not only overcome the technical difficulties of traditional HVDC transmission system but strengthen the optimization of regional energy resources allocation and improve power supply reliability.Based on the VSC-HVDC system，an optimal model for wind and PV power integration is established in consideration of wind/PV resource instability.Through theoretical analysis on optimal power flow，grid integration capacity limits of different nodes connected to wind/PV power are solved.In addition，the example of node 30 is validated to demonstrate the effectiveness of the method.

VSC-HVDC；capacity limit of wind/PV integration；interior point method

TM61

A

1007-1881（2016）12-0064-05

2016-10-17

張 昕（1987），男，工程師，從事輸電線路運行管理工作。