柔性直流接入海上風(fēng)電并網(wǎng)選址綜合優(yōu)化

劉曉明，譚祖貺，袁振華，劉玉田*

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東省 濟(jì)南市 250021；2.電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山東大學(xué))，山東省 濟(jì)南市 250061）

0 引言

近年來(lái)，受氣候變化導(dǎo)致的能源轉(zhuǎn)型要求所驅(qū)動(dòng)，海上風(fēng)電發(fā)展更加迅速，2020年中國(guó)新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到3.06 GW，位列全球第一[1-2]。2021年全球新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量約19.5 GW，最大的貢獻(xiàn)依然來(lái)自中國(guó)大陸，占4/5，約為16.9 GW。隨著海上風(fēng)電資源的逐步開(kāi)發(fā)，更大單機(jī)容量、更大規(guī)模的海上風(fēng)電場(chǎng)將是未來(lái)發(fā)展方向[3]。目前，海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)方式主要有高壓交流輸電和高壓直流輸電[4]。其中，高壓直流輸電方案比高壓交流輸電方案具有更大的優(yōu)勢(shì)，而高壓直流輸電方案中，基于柔性直流輸電(voltage source converter high voltage direct current，VSC-HVDC)的并網(wǎng)方案與傳統(tǒng)直流方式相比，具有靈活可靠的特點(diǎn)[5-6]，成為海上風(fēng)電并網(wǎng)的研究熱點(diǎn)。

隨著海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷增大，風(fēng)電的消納問(wèn)題亟須解決，風(fēng)電接入后的電網(wǎng)安全性也面臨挑戰(zhàn)[7-8]。不同的風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的影響也不同，選擇合適的并網(wǎng)點(diǎn)對(duì)于風(fēng)電消納和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要實(shí)際意義。文獻(xiàn)[9]基于線(xiàn)路過(guò)載和功率靈敏度篩選柔性直流的接入點(diǎn)，但是未涉及風(fēng)電并網(wǎng)內(nèi)容。文獻(xiàn)[10]以經(jīng)濟(jì)效益為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)經(jīng)柔性直流接入的海上風(fēng)電場(chǎng)和并聯(lián)電容器組進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化選址和選型，但未考慮風(fēng)電功率波動(dòng)影響。文獻(xiàn)[11]針對(duì)交流接入的風(fēng)電系統(tǒng)，利用小干擾穩(wěn)定分析尋找對(duì)電網(wǎng)電壓影響最小的風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)，文獻(xiàn)[12]針對(duì)交流接入的大規(guī)模陸上風(fēng)電，考慮有功需求、輸電網(wǎng)絡(luò)脆弱度、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性因素，選擇合適的風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)，但是它們均未涉及柔性直流接入的海上風(fēng)電。文獻(xiàn)[13]針對(duì)經(jīng)柔性直流接入的風(fēng)電場(chǎng)，在陸上接入點(diǎn)選擇時(shí)，充分考慮了電壓源換流器(voltage source converter，VSC)換流站的電壓支撐能力，但是未考慮電網(wǎng)消納能力及電網(wǎng)強(qiáng)度問(wèn)題。

針對(duì)目前大規(guī)模海上風(fēng)電柔性直流并網(wǎng)選址研究較少、選址考慮因素不全面的問(wèn)題，本文提出了一種經(jīng)柔性直流接入的大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)陸上并網(wǎng)點(diǎn)選擇方法，并將該方法應(yīng)用于某海上風(fēng)電接入的山東電網(wǎng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 陸上并網(wǎng)點(diǎn)選擇影響因素

1.1 海上風(fēng)電消納能力

2020年全國(guó)風(fēng)電發(fā)電量為4 665億kW·h，棄風(fēng)電量約166億kW·h，利用率達(dá)97%，但是風(fēng)電發(fā)電量占全社會(huì)用電量比例僅約為6.2%[2]?？紤]到“碳中和2060”的目標(biāo)，風(fēng)力發(fā)電的比重將大幅增長(zhǎng)，大規(guī)模海上風(fēng)電接入的消納以及利用率情況成為必須考慮的問(wèn)題。

對(duì)于不同的并網(wǎng)點(diǎn)，風(fēng)電消納能力主要考慮如下2個(gè)方面：一是系統(tǒng)調(diào)節(jié)和電網(wǎng)輸送能力，具體是指并網(wǎng)點(diǎn)在短期內(nèi)滿(mǎn)足自身負(fù)荷需求的同時(shí)向外輸送風(fēng)電的能力，對(duì)于不同的風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)，負(fù)荷水平越高，向外輸送風(fēng)電的能力越強(qiáng)，其風(fēng)電的消納能力也就越強(qiáng)；二是電能需求，具體是指在一個(gè)長(zhǎng)周期的時(shí)間范圍內(nèi)該并網(wǎng)點(diǎn)有功的消耗情況，將風(fēng)電并入電能需求高的節(jié)點(diǎn)，可以緩解可能發(fā)生的電能短缺問(wèn)題，并提高風(fēng)電消納水平。

1.2 受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性

對(duì)于經(jīng)柔性直流接入的海上風(fēng)電場(chǎng)，其對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響具體考慮如下2個(gè)方面。

1）VSC換流站的電壓支撐能力

VSC換流器具有獨(dú)立控制無(wú)功功率的特性，因此它可以用作具有大容量的無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備[14]，通過(guò)對(duì)VSC換流站的控制，可以有效支撐換流站附近電網(wǎng)電壓[15]，進(jìn)而提高接入?yún)^(qū)域的交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性[16]。因此，選擇合適的風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)，將會(huì)有效提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。

2）風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)受端電網(wǎng)的影響

海上風(fēng)電場(chǎng)的出力隨著風(fēng)力的隨機(jī)變化而動(dòng)態(tài)波動(dòng)，當(dāng)風(fēng)電功率出現(xiàn)較大變化時(shí)，由于潮流的改變，接入?yún)^(qū)域的電壓也會(huì)隨之波動(dòng)[17]，甚至越限。當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)時(shí)，風(fēng)電滲透率提高，風(fēng)電功率的波動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的問(wèn)題。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并入不同的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同，電網(wǎng)潮流不同，由風(fēng)電功率波動(dòng)引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)也就不同，因此，對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的選擇，風(fēng)電功率波動(dòng)影響是必要的考慮因素。

1.3 并網(wǎng)點(diǎn)脆弱度

目前，世界范圍內(nèi)發(fā)生的很多大停電事故是因?yàn)槟承┐嗳蹙€(xiàn)路的退出而導(dǎo)致潮流轉(zhuǎn)移，引起相繼保護(hù)跳閘，從而發(fā)生連鎖故障[18]，而其中多起又與風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)有關(guān)。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的脆弱度分析可以評(píng)價(jià)電網(wǎng)安全等級(jí)，找到電網(wǎng)的薄弱位置[19]。在海上風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)選擇時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行脆弱度分析，并避免將風(fēng)電場(chǎng)并入這些節(jié)點(diǎn)，以免因風(fēng)電場(chǎng)的出力波動(dòng)或者故障退出而導(dǎo)致嚴(yán)重的電網(wǎng)事故。

1.4 海上風(fēng)電建設(shè)成本

在選擇海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，建設(shè)成本也是必要的考慮指標(biāo)，對(duì)于不同的陸上并網(wǎng)點(diǎn)，海上風(fēng)電場(chǎng)、升壓站和換流站的投資是相同的，成本的主要區(qū)別在于海纜的長(zhǎng)度不同。因此，在選擇海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，主要考慮不同并網(wǎng)方案的海纜長(zhǎng)度。

2 評(píng)估指標(biāo)計(jì)算

2.1 風(fēng)電消納

風(fēng)電消納的關(guān)鍵問(wèn)題是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力和電網(wǎng)輸電能力[20]，具體而言，包括系統(tǒng)調(diào)峰能力、系統(tǒng)備用水平、電網(wǎng)網(wǎng)架約束與送出、負(fù)荷水平和風(fēng)電出力特性[21]。在風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)選擇研究中，由于接入?yún)^(qū)域范圍不大，系統(tǒng)調(diào)峰水平與備用情況類(lèi)似，因此主要考慮并網(wǎng)點(diǎn)送出能力及負(fù)荷水平等因素。

用電負(fù)荷與常規(guī)機(jī)組最小技術(shù)出力之間的運(yùn)行區(qū)域是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)空間，再加上經(jīng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)最大外送功率，即為風(fēng)電最大消納空間[22]，同時(shí)為了考慮極限情況下最大風(fēng)電消納，假定并網(wǎng)點(diǎn)j負(fù)荷為日最小負(fù)荷Pj,Lmin，系統(tǒng)調(diào)節(jié)和電網(wǎng)輸送能力指標(biāo)計(jì)算如下：

式中：Pa,j為并網(wǎng)點(diǎn)j的風(fēng)電最大消納空間；Pj,tmax為并網(wǎng)點(diǎn)j可以經(jīng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)外送的最大功率；Pj,gmin為與并網(wǎng)點(diǎn)j相連的第g臺(tái)常規(guī)機(jī)組的最小技術(shù)出力；G為與并網(wǎng)點(diǎn)j相連的所有常規(guī)機(jī)組的臺(tái)數(shù)。

在對(duì)電能需求指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，結(jié)合社會(huì)發(fā)展和中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)[12,23]，對(duì)未來(lái)一段時(shí)期的負(fù)荷水平進(jìn)行綜合，獲得并網(wǎng)點(diǎn)電能需求L(j)。

綜合以上2個(gè)方面，并網(wǎng)點(diǎn)風(fēng)電消納指標(biāo)C1計(jì)算如下：

2.2 電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性

2.2.1 VSC電壓支撐

VSC換流站對(duì)無(wú)功需求響應(yīng)迅速且靈活，可以用來(lái)支撐接入?yún)^(qū)域電壓[24]。出于經(jīng)濟(jì)性等因素的考慮，海上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)選擇方案一般都集中于一個(gè)范圍不大的區(qū)域內(nèi)，因此可以只考慮VSC換流站對(duì)該接入?yún)^(qū)域內(nèi)母線(xiàn)電壓的支撐能力。在假定海上風(fēng)電出力為穩(wěn)定值的情況下，可以將并網(wǎng)點(diǎn)視為電網(wǎng)的有功功率和電壓給定節(jié)點(diǎn)(PV節(jié)點(diǎn))。利用文獻(xiàn)[25]中用于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性在線(xiàn)監(jiān)測(cè)快速計(jì)算的簡(jiǎn)化L指標(biāo)，計(jì)算不同VSC換流站位置對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。

將海上風(fēng)電接入?yún)^(qū)域的節(jié)點(diǎn)分成2組：一組為所有發(fā)電機(jī)組節(jié)點(diǎn)集合αG；一組為所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集合αL。簡(jiǎn)化L指標(biāo)[25]可以計(jì)算如下：

式中：Lsj為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)j的簡(jiǎn)化L指標(biāo)值，用于反映系統(tǒng)電壓穩(wěn)定程度，指標(biāo)值越大，系統(tǒng)電壓越不穩(wěn)定，其取值范圍為0≤Lsj≤1；Vi和Vj分別為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i和j的電壓；Pi和Qi分別為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i注入的有功和無(wú)功功率；Xij為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i、j之間的電抗。

海上風(fēng)電接入?yún)^(qū)域內(nèi)簡(jiǎn)化L指標(biāo)值最大的節(jié)點(diǎn)代表其電壓穩(wěn)定性最差，可以用來(lái)反映VSC換流站的電壓支撐效果，因此接入?yún)^(qū)域VSC電壓支撐指標(biāo)C2計(jì)算如下：

2.2.2 風(fēng)電功率波動(dòng)影響

評(píng)價(jià)風(fēng)電并網(wǎng)引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)指標(biāo)有電壓分布指標(biāo)、偏度指標(biāo)、保持指數(shù)指標(biāo)等[26]。在此基礎(chǔ)上，本文主要考慮接入?yún)^(qū)域母線(xiàn)電壓和風(fēng)電出力波動(dòng)情況，提出計(jì)及風(fēng)電出力變化的母線(xiàn)i靈敏度Ii計(jì)算式[27]如下：

式中：PW0為海上風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)出力；ΔPW為風(fēng)電功率變化值；Ui(PW0+ΔPW)為風(fēng)電出力為PW0+ΔPW時(shí)母線(xiàn)i的電壓；Ui(PW0)為風(fēng)電出力為PW0時(shí)母線(xiàn)i的電壓；ΔUi為風(fēng)電波動(dòng)為ΔPW時(shí)母線(xiàn)i的電壓變化值。

面對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)時(shí)，電壓波動(dòng)更大的母線(xiàn)節(jié)點(diǎn)因其越限的可能性相對(duì)較大，需要特別關(guān)注。同時(shí)考慮到大規(guī)模風(fēng)電接入時(shí)，接入的輸電網(wǎng)絡(luò)一般電壓等級(jí)比較高，可以認(rèn)為接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)母線(xiàn)電壓最大波動(dòng)在2%額定電壓以?xún)?nèi)，該指標(biāo)可視為合格，因此風(fēng)電波動(dòng)指標(biāo)C3計(jì)算如下：

式中αB為接入?yún)^(qū)域母線(xiàn)集合。

2.3 電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)脆弱度

電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)脆弱度反映了其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要性和魯棒性，如果并網(wǎng)點(diǎn)脆弱度高，很可能因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)故障而破壞電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的脆弱度分析，可以從以下2個(gè)方面考慮：一是考慮并網(wǎng)點(diǎn)相連線(xiàn)路負(fù)載率，負(fù)載率越高，該并網(wǎng)點(diǎn)越脆弱；二是考慮并網(wǎng)點(diǎn)相連線(xiàn)路N?1故障情況下并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差，偏差越大，該并網(wǎng)點(diǎn)越脆弱。

對(duì)于并網(wǎng)點(diǎn)j，假設(shè)線(xiàn)路Ik(k=1,2,…,mg)與其相連，該線(xiàn)路在風(fēng)電并網(wǎng)前傳輸功率為Pk，且最大傳輸功率為Pkmax，則負(fù)載率指標(biāo)計(jì)算如下：

式中δk為權(quán)重系數(shù)。

假設(shè)線(xiàn)路Ik故障切除前后并網(wǎng)點(diǎn)j的電壓分別為Uko和Uk，則N?1故障節(jié)點(diǎn)電壓偏移指標(biāo)計(jì)算如下：

本文綜合考慮負(fù)載率和電壓偏移，并網(wǎng)點(diǎn)脆弱度指標(biāo)C4計(jì)算如下：

2.4 建設(shè)成本

對(duì)于不同的并網(wǎng)點(diǎn)選擇方案，單位長(zhǎng)度的直流海纜價(jià)格相同，因此建設(shè)成本指標(biāo)C5可以計(jì)算如下：

式中：Lj是海上風(fēng)電場(chǎng)與并網(wǎng)點(diǎn)j的直線(xiàn)距離；λj是在實(shí)際工程中海纜建設(shè)需要考慮的彎曲系數(shù)。

3 基于信息熵和模糊層次分析的綜合賦權(quán)

信息熵主要用于描述信息源的不確定性，而熵權(quán)法是基于信息熵原理提出的用于客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的方法。如果評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵小，則代表其提供的信息量大，在系統(tǒng)評(píng)價(jià)時(shí)的權(quán)重占比也要大[28]。模糊層次分析法改進(jìn)了層次分析法判斷矩陣一致性檢驗(yàn)和權(quán)重求取，主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。為了結(jié)合客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)的綜合權(quán)重，彌補(bǔ)單一方法的不足，本文對(duì)2種賦權(quán)方法進(jìn)行了集成。

假設(shè)海上風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)共有n個(gè)可選節(jié)點(diǎn)、m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則可以建立一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣：

式中r'ij為第j個(gè)可選并網(wǎng)點(diǎn)的第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。

綜合權(quán)重的確定步驟具體如下：

1）原始數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化和歸一化處理。本文提出的指標(biāo)中，C1指標(biāo)值越大，節(jié)點(diǎn)越優(yōu)；C2,C3,C4,C5指標(biāo)值越小，節(jié)點(diǎn)越優(yōu)。因此用式(13)處理數(shù)據(jù)矩陣R'，得到無(wú)量綱歸一化數(shù)據(jù)矩陣R，使得數(shù)據(jù)在[0,1]內(nèi)，且數(shù)據(jù)值越大，指標(biāo)值越優(yōu)。

2）基于熵權(quán)法的客觀權(quán)重計(jì)算。根據(jù)熵的定義，計(jì)算第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值如下：

且設(shè)定當(dāng)fij=0時(shí)，fijln fij=0。

根據(jù)熵權(quán)法，第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重表示為

3）基于模糊層次分析的主觀權(quán)重計(jì)算。假設(shè)對(duì)于并網(wǎng)點(diǎn)選擇的m個(gè)指標(biāo)，有如下模糊判斷矩陣：

式中aij代表第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)比第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)重要的程度，0≤aij≤1，aij+aji=1，i,j=1,2,…,m，具體aij可以由“九標(biāo)度法”表得到。

假設(shè)有s個(gè)專(zhuān)家基于“九標(biāo)度法”表評(píng)價(jià)m個(gè)指標(biāo)，并給出aij的標(biāo)度值a(t)ij，t=1,2,…,s，aij可以計(jì)算如下：

式中λt為第t個(gè)專(zhuān)家評(píng)價(jià)的權(quán)重，且=1。

根據(jù)模糊層次分析法，主觀權(quán)重計(jì)算如下：

式中a≥(n-1)/2，為一常數(shù)，可以設(shè)a=(n-1)/2。

4）綜合權(quán)重偏差最小的組合賦權(quán)。熵權(quán)法過(guò)于依賴(lài)客觀的數(shù)據(jù)，但規(guī)劃數(shù)據(jù)往往不充分；模糊層次分析通過(guò)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行可行的判斷，但難免帶有主觀片面性。綜合上述2種方法，將會(huì)有效提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性[29]。

由于本文僅涉及一個(gè)主觀權(quán)重與一個(gè)客觀權(quán)重，因此對(duì)矩估計(jì)理論的最優(yōu)組合賦權(quán)法進(jìn)行簡(jiǎn)化，以綜合權(quán)重ωi與主、客觀權(quán)重的偏差平方和最小為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)主觀權(quán)重相對(duì)重要程度系數(shù)為α，客觀權(quán)重相對(duì)重要程度系數(shù)為1-α，則優(yōu)化模型表示為

不考慮0≤ωi≤1的約束，構(gòu)造如下Lagrange函數(shù)：

式中λ為L(zhǎng)agrange乘子。

顯然，求得的ωi滿(mǎn)足約束條件0≤ωi≤1。

綜上所述，經(jīng)柔性直流接入的海上風(fēng)電陸上并網(wǎng)點(diǎn)選擇步驟具體如下：

1）根據(jù)接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及海上風(fēng)電規(guī)劃數(shù)據(jù)，結(jié)合潮流計(jì)算及仿真結(jié)果，利用式(1)—(11)計(jì)算不同海上風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的各個(gè)指標(biāo)值，并進(jìn)行歸一化處理。

2）基于各指標(biāo)值，利用式(17)計(jì)算基于熵權(quán)法的指標(biāo)客觀權(quán)重基于模糊判斷矩陣，利用式(20)、(21)計(jì)算基于模糊層次分析法的指標(biāo)主觀權(quán)重

3）利用式(25)得到各指標(biāo)綜合權(quán)重ωi，通過(guò)對(duì)不同并網(wǎng)點(diǎn)各指標(biāo)值及其對(duì)應(yīng)綜合權(quán)重加權(quán)求和，得到不同并網(wǎng)點(diǎn)的綜合得分，得分最高者即為最優(yōu)的海上風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 煙臺(tái)威海電網(wǎng)模型

為了驗(yàn)證所提海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)選擇方法的有效性，利用PSS/E對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)接入山東省東部沿海電網(wǎng)進(jìn)行仿真分析。山東煙臺(tái)、威海部分電網(wǎng)接線(xiàn)如圖1所示，接入?yún)^(qū)域母線(xiàn)負(fù)荷如表1所示，規(guī)劃建設(shè)的海上風(fēng)電場(chǎng)位于黃海海域內(nèi)。風(fēng)電場(chǎng)額定容量為1 200 MW，經(jīng)柔性直流接入。陸上VSC換流站容量為1 200 MW，直流輸電的電壓等級(jí)為±200 kV，可選并網(wǎng)點(diǎn)為6、9、13、14，其電壓等級(jí)均為220 kV。

圖1 山東省東部沿海電網(wǎng)接線(xiàn)圖Fig.1 Wiring diagram of eastern Shandong coastal power grid

表1 山東東部部分母線(xiàn)負(fù)荷數(shù)據(jù)Tab.1 Load data of buses in eastern Shandong

4.2 最優(yōu)并網(wǎng)點(diǎn)選擇

風(fēng)電消納指標(biāo)C1和建設(shè)成本指標(biāo)C5不需要進(jìn)行數(shù)值仿真，僅通過(guò)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)即可得到結(jié)果。

電壓支撐指標(biāo)C2、風(fēng)電波動(dòng)指標(biāo)C3和電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)脆弱度指標(biāo)C4均需要通過(guò)PSS/E仿真計(jì)算得到結(jié)果。為不失一般性，假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)出力為500 MW，在計(jì)算電壓支撐指標(biāo)C2時(shí)，將海上風(fēng)電接入母線(xiàn)節(jié)點(diǎn)視為PV節(jié)點(diǎn)；在計(jì)算風(fēng)電波動(dòng)指標(biāo)C3時(shí)，假設(shè)風(fēng)電波動(dòng)功率為300 MW。

標(biāo)準(zhǔn)化處理后各并網(wǎng)點(diǎn)指標(biāo)值如表2所示，假定主觀、客觀權(quán)重的重要程度一致，均取0.5，計(jì)算得到各指標(biāo)客觀權(quán)重、主觀權(quán)重以及綜合權(quán)重，結(jié)果如表3所示。其中，專(zhuān)家評(píng)價(jià)模糊判斷矩陣為

表2 標(biāo)準(zhǔn)化后各可選并網(wǎng)點(diǎn)指標(biāo)值Tab.2 Index values of optional access points after standardization

表3 各計(jì)算指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Weight of each evaluation index

基于指標(biāo)值和綜合權(quán)重，通過(guò)計(jì)算可以得到各并網(wǎng)點(diǎn)得分，如表4所示，可以看出，并網(wǎng)點(diǎn)14得分最高，為最優(yōu)并網(wǎng)點(diǎn)。

表4 各并網(wǎng)點(diǎn)得分Tab.4 Score of each optional access point

4.3 最優(yōu)并網(wǎng)點(diǎn)驗(yàn)證

1）風(fēng)電功率變化對(duì)電網(wǎng)電壓的影響

對(duì)于4個(gè)備選并網(wǎng)點(diǎn)，針對(duì)風(fēng)電功率增加至額定滿(mǎn)出力的情景進(jìn)行仿真，記錄接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)中220 kV母線(xiàn)電壓波動(dòng)平均值與最大值，結(jié)果如表5所示。

表5 電壓波動(dòng)結(jié)果Tab.5 Results of voltage fluctuation

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)為14時(shí)，接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)電壓波動(dòng)平均值與最大值均最小，與本文方法計(jì)算的結(jié)果相符。

2）故障后電網(wǎng)電壓情況

對(duì)于4個(gè)備選并網(wǎng)點(diǎn)，分別在選出的關(guān)鍵故障情況下仿真，記錄接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)電壓變化情況，并進(jìn)行對(duì)比分析。支路1—2的500 kV三相接地故障發(fā)生在靠近母線(xiàn)1的一側(cè)，故障發(fā)生0.1 s后切除線(xiàn)路，其典型母線(xiàn)的電壓變化曲線(xiàn)如圖2所示。支路3—13的220 kV三相接地故障發(fā)生在靠近母線(xiàn)13一側(cè)，故障發(fā)生0.1 s后切除線(xiàn)路，母線(xiàn)10的電壓情況如圖3所示。

圖2 1—2支路500 kV線(xiàn)路故障下典型母線(xiàn)電壓Fig.2 Typical bus voltage of 1-2 branch 500 kV line fault

圖3 3—13支路220 kV線(xiàn)路故障下母線(xiàn)10電壓Fig.3 Bus 10 voltage of 3-13 branch 220 kV line fault

從圖2可以看出，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)為14時(shí)，在故障發(fā)生后，典型母線(xiàn)的電壓最小值更大，在切除線(xiàn)路后，典型母線(xiàn)的電壓恢復(fù)更快且更穩(wěn)定。由圖3可知，嚴(yán)重程度低一些的故障，如220 kV線(xiàn)路接地故障，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)為14時(shí)，其對(duì)電壓的支撐相比于其他并網(wǎng)點(diǎn)仍稍有優(yōu)勢(shì)，但是并不明顯，主要是因?yàn)樵摴收蠈?duì)接入?yún)^(qū)域的電壓影響沒(méi)有500 kV三相接地故障大。

綜合以上2個(gè)因素，并考慮到在風(fēng)電消納能力、建造的經(jīng)濟(jì)性上并網(wǎng)點(diǎn)14同樣是最優(yōu)的方案，這與計(jì)算得到的評(píng)價(jià)得分相符，證明該選擇方法有效。

5 結(jié)論

針對(duì)經(jīng)VSC-HVDC接入電網(wǎng)的海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)選址，在考慮并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性與安全穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提出了基于信息熵理論和模糊層次分析法的綜合評(píng)價(jià)方法，并進(jìn)行了仿真分析，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)分析計(jì)算不同并網(wǎng)點(diǎn)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)與輸送能力水平及電能預(yù)期需求，保證了風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的消納能力，保障了大規(guī)模海上風(fēng)電的高效利用，提高了風(fēng)電并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

2）考慮VSC換流站的電壓支撐能力，有效利用了柔性直流輸電方式對(duì)受端電網(wǎng)的無(wú)功支撐；考慮風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響和并網(wǎng)點(diǎn)的脆弱度問(wèn)題，降低了風(fēng)電并網(wǎng)后其波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的影響，提高了受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

3）所提出的柔性直流接入海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)選址方法，可以為未來(lái)大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)選址提供理論指導(dǎo)。對(duì)于多個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)接入同一區(qū)域電網(wǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)選擇問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究。