張 昕，杜俊杰，曾 東，溫 鎮(zhèn)，章慧蕓

（國(guó)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(guó)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(kāi)關(guān)器件為基礎(chǔ)的VSC-HVDC中，引入風(fēng)光互補(bǔ)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(diǎn)，同時(shí)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(guò)最優(yōu)潮流理論分析，求解風(fēng)光接在不同節(jié)點(diǎn)的極限并網(wǎng)容量，并以30節(jié)點(diǎn)的算例進(jìn)行驗(yàn)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(diǎn)法

0 引言

以電壓源換流器和全控型開(kāi)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(diǎn)，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)[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(shì)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(yáng)能等可再生資源利用率，而計(jì)算其最大容量，需要計(jì)算滿足一定穩(wěn)定約束條件下電力系統(tǒng)方程。目前，國(guó)內(nèi)外普遍使用風(fēng)電場(chǎng)穿透功率極限描述風(fēng)電場(chǎng)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(jì)算含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)中風(fēng)光并網(wǎng)極限容量時(shí)，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(shí)風(fēng)電穿透概念和各國(guó)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(lái)計(jì)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(jì)算速度相對(duì)較慢，且每次計(jì)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(wèn)題的解決方案，但由于該方法普遍采用迭代試驗(yàn)法，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)存在難度，同時(shí)也不適用于風(fēng)光并網(wǎng)極限容量的計(jì)算。文獻(xiàn)[12]采用內(nèi)點(diǎn)算法，可以有效地計(jì)算電網(wǎng)在極限運(yùn)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(méi)有得出一般性的規(guī)律，且沒(méi)有考慮VSC-HVDC系統(tǒng)。綜上可知，內(nèi)點(diǎn)法計(jì)算速度快、實(shí)用性強(qiáng)，尤其適用風(fēng)、光電場(chǎng)在發(fā)電系統(tǒng)中所占比例不太大情況下的優(yōu)化計(jì)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(diǎn)法對(duì)風(fēng)光并網(wǎng)極限容量進(jìn)行求解，驗(yàn)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(jiàn)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(diǎn)的交流節(jié)點(diǎn)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(jiàn)式（1）。對(duì)交流節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)功率平衡方程與傳統(tǒng)潮流計(jì)算一致。

式中：i，j代表了節(jié)點(diǎn)的編號(hào)；P，Q，U分別代表有功功率、無(wú)功功率與電壓幅值；分別代表注入節(jié)點(diǎn)i的有功功率和無(wú)功功率；ΔPi，ΔQi為節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)功率偏差；j∈i表示與i節(jié)點(diǎn)相連的所有節(jié)點(diǎn)；θij，Gij，Bij為節(jié)點(diǎn)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(jiàn)式（3）：

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

式中：Idi為直流節(jié)點(diǎn)的電流；ΔIdi為直流網(wǎng)絡(luò)電流偏差；Rdij代表直流節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jì)算或最優(yōu)潮流計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)中每個(gè)VSC需要選擇2個(gè)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(duì)常見(jiàn)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(duì)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(jì)算模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)以風(fēng)為動(dòng)力，輸出特性會(huì)直接受風(fēng)速影響。風(fēng)的隨機(jī)波動(dòng)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(dòng)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(gè)含有風(fēng)光的電力系統(tǒng)中，可以將風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站分別等效為可控電源。通常風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具備無(wú)功功率控制能力，在公共電網(wǎng)電壓處于正常范圍內(nèi)時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)能控制并網(wǎng)點(diǎn)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(jì)算風(fēng)光最大接入容量的最優(yōu)潮流模型見(jiàn)式（5）：

式中等式約束條件h（x）包括：交、直流節(jié)點(diǎn)的有功、無(wú)功潮流方程式（1）和式（2）；直流節(jié)點(diǎn)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(wú)功關(guān)系見(jiàn)式（6）。

式中：PPV，QPV分別為光伏電站輸出的有功、無(wú)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(wú)功出力；交直流節(jié)點(diǎn)電壓；直流調(diào)制度；注入直流節(jié)點(diǎn)為有功、無(wú)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(diǎn)法的具體求解過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]，需要注意的是，求解過(guò)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(chǎng)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(diǎn)電壓幅值和相角）直接采用平直起動(dòng)。

3 算例分析

以30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例進(jìn)行計(jì)算，改造后30節(jié)點(diǎn)含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)有30個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)6個(gè)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)（包括發(fā)電機(jī)-負(fù)荷節(jié)點(diǎn)）20個(gè)，線路41條。直流參數(shù)見(jiàn)表1。

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

表1 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)直流參數(shù)p.u.

對(duì)各參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍作以下的約定：對(duì)于連續(xù)變量，節(jié)點(diǎn)的電壓范圍設(shè)為[0.9,1.1]；對(duì)含風(fēng)電場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)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(wú)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(duì)偶間隙小于10-6停止時(shí)計(jì)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(wú)功功率控制，VSC2設(shè)定定有功功率控制和定交流節(jié)點(diǎn)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(chǎng)和光伏電站組成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電廠經(jīng)升壓后接入同一節(jié)點(diǎn)，此方案充分考慮了太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間、空間上的互補(bǔ)性。方案2是風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站接在系統(tǒng)不同節(jié)點(diǎn)上，此方案下，若風(fēng)光點(diǎn)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(bǔ)性也能得到利用。30節(jié)點(diǎn)算例中，6個(gè)發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為1—6，其中1號(hào)節(jié)點(diǎn)為平衡節(jié)點(diǎn)，由于風(fēng)光接在不同節(jié)點(diǎn)時(shí)，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(hào)平衡節(jié)點(diǎn)的發(fā)電機(jī)組保留，不予置換。

30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)機(jī)組出力限值見(jiàn)表2。

表2 30節(jié)點(diǎn)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(diǎn)依次置換為風(fēng)光互補(bǔ)機(jī)組，經(jīng)計(jì)算，極限容量見(jiàn)表3。在OPF2方式下，以風(fēng)光機(jī)組置換3號(hào)機(jī)組為例，計(jì)算收斂結(jié)果見(jiàn)圖3。

表3 風(fēng)光電源接在同一節(jié)點(diǎn)上的極限容量p.u.

圖3 方案1計(jì)算收斂曲線

按照方案2，2臺(tái)發(fā)電機(jī)分別置換為風(fēng)電機(jī)組和光伏電站，經(jīng)計(jì)算，極限容量見(jiàn)表 4。在OPF1方式下，以風(fēng)光機(jī)組分別置換3號(hào)、4號(hào)機(jī)組為例，計(jì)算收斂結(jié)果見(jiàn)圖4。

對(duì)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(diǎn)6時(shí)的極限容量最大；在OPF2方式下，在接入節(jié)點(diǎn)2時(shí)的極限容量最大，風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的并網(wǎng)容量之和不應(yīng)超過(guò)該值。

（2）按方案2，在OPF1方式下，節(jié)點(diǎn)2置換為風(fēng)電機(jī)組，節(jié)點(diǎn)3置換為光伏電站時(shí)的極限容量最大；在OPF2方式下，節(jié)點(diǎn)6置換為風(fēng)電機(jī)組，節(jié)點(diǎn)2置換為光伏電站時(shí)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(jiàn)，在帶負(fù)荷節(jié)點(diǎn)接入風(fēng)光機(jī)組可直接平衡當(dāng)?shù)刎?fù)荷，一般來(lái)說(shuō)，負(fù)荷越大，節(jié)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)線越多，該節(jié)點(diǎn)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(diǎn)上的極限容量

圖4 方案2計(jì)算收斂曲線

4 結(jié)論

針對(duì)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(diǎn)法進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例驗(yàn)證了該方法的有效性。通過(guò)該方法能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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。

參考文獻(xiàn)：

[1]FLOURENTZOU N，AGELIDIS V G，DEMETRIADES G D. VSC-based HVDC power transmission systems∶an overview [J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24（3）∶592-602.

[2]溫家良，吳銳，彭暢，等.直流電網(wǎng)在中國(guó)的應(yīng)用前景分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（13）∶7-12.

[3]WEIMERS L.HVDC Light∶A new technology for a better environment[J].IEEE Power Engineering Review，1998，18（8）∶19-20.

[4]牛博彥，胡林獻(xiàn)，張眾.基于VSC-HVDC的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)潮流算法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（24）∶6-11.

[5]LU M S，CHANG C L，LEE W J．Impact of wind generation on a transmission system[C]．The 39th North American Power Symposium，Las Cruces，New Mexico，2007．

[6]孫元章，吳俊，李國(guó)杰．風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（20）∶55-62．

[7]WEISSER DANIEL，GARCIA RAQUEL S．Instantaneous wind energy penetration in isolated electricity grids∶concepts and review[J].Renewable Energy，2005（30）∶1299-1308．

[8]FALCK C J，HATZIARGYRIOU N，GRUELUND A S，et al.Methods and models for evaluating the impact of decentralized generation[C].CIGRE38-301，Paris，1998．

[9]朱雪凌，張洋，李強(qiáng)，等．基于遺傳算法的風(fēng)電場(chǎng)最優(yōu)接入容量問(wèn)題研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（9）∶55-60．

[10]郭曉蕊，王德意，楊國(guó)清，等．基于改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法的風(fēng)電場(chǎng)最大接入容量計(jì)算[J]．中國(guó)電力，2011，44（1）∶86-89．

[11]PIZANO MARTINEZ A，F(xiàn)UERTE ESQUIVEL C R，AMBRIZ PEREZ H，et al.Modeling of VSC-based HVDC systems for a Newton-Raphson OPF algorithm[J].IEEE Transactions on Power Systems，2007，22（4）∶1794-1803.

[12]鄭超，周孝信，李若梅，等.VSC-HVDC穩(wěn)態(tài)特性與潮流算法的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（6）∶1-5.

[13]衛(wèi)志農(nóng)，紀(jì)聰，孫國(guó)強(qiáng)，等.含VSC-HVDC的交直流系統(tǒng)內(nèi)點(diǎn)法最優(yōu)潮流計(jì)算[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（19）∶89-95.

[14]張桂斌，徐政，王廣柱，等.基于VSC的直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)建模及其非線性控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22（1）∶17-22.

[15]王錫凡.現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析 [M].北京：科學(xué)出版社，2003.

（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(yùn)行管理工作。