王海濤，周汝勇，房德智，段接迎，劉周峰，周霞，馬道廣

（1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106；3.南京郵電大學先進技術(shù)研究院，南京 210023）

0 引言

近年來，面對全球氣候變暖所造成的環(huán)境危機問題，積極構(gòu)建以風能、太陽能為核心的新能源體系是應對全球氣候危機的有效措施［1］。2021年3月15日，習近平總書記在中央財經(jīng)委員會第九次會議上部署未來能源領(lǐng)域重點工作，指出要“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”，以促進“碳達峰、碳中和”（以下簡稱：雙碳）的重要戰(zhàn)略目標［2-3］。隨著新能源裝機比例的增加，新能源在電力系統(tǒng)的應用也逐漸成熟。但由于新能源具有間歇性和波動性的特點，相比于常規(guī)機組其發(fā)電出力穩(wěn)定性差，容易造成輸送線路阻塞、潮流分布不均等問題，限制了新能源實際接入電網(wǎng)時的消納率［4-5］。

針對上述問題，國內(nèi)外學者提出了多種解決方案，主要有增加輸電線路容量［6-7］、調(diào)整發(fā)電計劃［8-9］和使用電力電子化裝置對阻塞線路進行潮流調(diào)控等措施［10-12］。輸電線路動態(tài)增容技術(shù)根據(jù)實時潮流分布增加輸電線路容量，可有效緩解現(xiàn)有輸電線路的阻塞問題，但實施受到氣象以及技術(shù)等方面的限制；調(diào)整發(fā)電計劃以研究新能源的高精度預測方法為突破，減少新能源預測誤差。上述研究均對新能源消納起積極作用，但在高比例新能源場景下傳統(tǒng)解決方案較為保守不能徹底解決線路阻塞問題。伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新型潮流控制器在解決輸電線路阻塞方面取得了良好效果［13-15］。利用新型潮流控制器的控制能力調(diào)節(jié)新能源發(fā)電線路潮流阻塞問題已成為當前解決此類問題的有效途徑［16-17］，文獻［18］提出通過最優(yōu)配置潮流控制裝置來降低棄風率，提高風電并網(wǎng)功率。統(tǒng)一潮流控制器（unified power flow controller，UPFC）作為新型潮流控制裝置的一員，文獻［19］提出了基于UPFC潮流調(diào)節(jié)功能的優(yōu)先級控制策略，該策略所制定的UPFC優(yōu)先級控制在電網(wǎng)正常運行模式下優(yōu)先保證風電的消納；在電網(wǎng)異常（故障或因工況變化）導致線路潮流重載的情況下，優(yōu)先保證輸電線路不超過其功率閾值。

上述潮流控制裝置的優(yōu)化配置策略盡管可以發(fā)揮其在降低線路阻塞、控制線路潮流方面的優(yōu)越性，但集中式的潮流控制裝置成本較高、潮流調(diào)節(jié)不靈活、可靠性相對較低。針對以上不足，文獻［20］提出使用分布式潮流控制器（distributed power flow controller，DPFC）來適應輸電線路對潮流控制的需求，同時制定優(yōu)化配置策略的方式控制阻塞線路潮流。DPFC的設計原理是基于UPFC的結(jié)構(gòu)消去相間耦合電容后各變流器裝置直接與高壓輸電線路相連，這樣的設計方式不僅利于實際電網(wǎng)安裝，而且能降低裝置的制造成本，有利于DPFC裝置的大規(guī)模應用［21-22］。DPFC裝置成本低、布點靈活且維護方便的特點，提升了其在潮流控制方面的應用和運行方面的經(jīng)濟性，因此分布式潮流控制器是未來電力電子裝置調(diào)節(jié)潮流的發(fā)展趨勢［23-24］。相關(guān)研究針對DPFC優(yōu)化配置控制潮流方面進行了初步的探索，比如有學者提出了人工藻類算法在最優(yōu)配置DPFC中的應用，在保證DPFC調(diào)節(jié)線路潮流特性的前提下，使系統(tǒng)潮流分布更加均勻，提高線路的穩(wěn)定性和傳輸容量［25］。但是目前關(guān)于DPFC的配置及控制策略僅考慮新能源正常發(fā)電這一單一場景，不適用于當前新能源大發(fā)情況以及電網(wǎng)線路分布密集等復雜場景，同時沒有考慮到高滲透率新能源并網(wǎng)造成的潮流分布不均、新能源棄風和棄光率過高等問題。

針對以上問題，本文提出了促進高滲透率新能源消納的DPFC優(yōu)化配置策略，解決了當前DPFC配置策略所存在的不足之處，在提升DPFC裝置實際應用場景多樣性的同時降低了DPFC大規(guī)模應用的成本。首先，構(gòu)建了DPFC的優(yōu)化配置模型，對接入系統(tǒng)的DPFC安裝地點和數(shù)量進行了優(yōu)化配置；其次，構(gòu)建了兩種DPFC的運行控制模型，分別提出了在正常和新能源大發(fā)情況下DPFC的運行控制策略；在正常情況下DPFC通過調(diào)整新能源發(fā)電的出力來實現(xiàn)降低運行成本，在新能源大發(fā)情況下則根據(jù)DPFC控制潮流的特性轉(zhuǎn)移重載線路的潮流，提高新能源的消納率。最后，通過IEEE 24節(jié)點算例對DPFC優(yōu)化配置策略的可行性和有效性進行了驗證。

1 含DPFC的多場景協(xié)調(diào)調(diào)度框架

本文提出了促進高滲透率新能源消納的DPFC多場景協(xié)調(diào)調(diào)度策略，建立了系統(tǒng)運行成本最低以及新能源消納量最大的多場景優(yōu)化目標函數(shù)，構(gòu)建了不同場景下的DPFC優(yōu)化配置模型、運行控制模型；并基于含DPFC的運行控制模型，分析電網(wǎng)線路的阻塞率、負載率、發(fā)電機出力變化和加入DPFC前后運行成本的變化，探究了引入DPFC后對高滲透率新能源消納能力的實際影響效果。

圖1為新能源接入電力系統(tǒng)的含DPFC多場景協(xié)調(diào)調(diào)度框架。

圖1 DPFC多場景協(xié)調(diào)調(diào)度框架Fig.1 Framework of DPFC multi-scenario coordinated scheduling

DPFC的加入會調(diào)整發(fā)電機的出力，增加發(fā)電成本較低的發(fā)電機出力，并且在極端天氣下降低了關(guān)鍵線路的阻塞率，此時利用DPFC對阻塞線路控制使部分潮流從臨近支路流出，從而減少高滲透率新能源消納困難所引起的線路阻塞，提高系統(tǒng)的新能源消納能力。

2 DPFC優(yōu)化配置策略

2.1 DPFC基本原理

DPFC的設計原理是將UPFC的相間耦合電容消去后各變流器裝置串聯(lián)直接與高壓輸電線路相連，在輸電線路上注入相角與幅度可控的電壓?？刂茊卧淖饔檬抢貌⒙?lián)變流器將高壓輸電線路與大地相連，提供串聯(lián)變流器運行所需的有功功率、補償電網(wǎng)無功功率。并且DPFC可以通過控制輸電線路潮流傳輸3次諧波實現(xiàn)串、并聯(lián)側(cè)裝置的有功功率交換和無功功率補償。DPFC的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖2所示。

圖2 DPFC結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic diagram of DPFC structure

在串聯(lián)電抗運行模式下不啟動逆變器模塊，單相變壓器進行側(cè)邊開路，DPFC將固定的電抗注入到阻塞線路中，從而實現(xiàn)潮流的單向階梯式調(diào)節(jié)；DPFC以無功注入模式運行時，通過逆變器模塊向阻塞線路注入幅值、相角均可控的電壓，從而實現(xiàn)潮流的連續(xù)雙向式調(diào)節(jié)；如果沒有潮流控制任務，則通過開關(guān)K閉合DPFC支路。其注入電壓可以表示為：

式中：為DPFC的注入電壓；I?為注入電壓線路的單位相量。

2.2 DPFC規(guī)劃配置模型

2.2.1 目標函數(shù)

本文構(gòu)建的DPFC規(guī)劃配置模型是在供電平衡約束、線路潮流約束以及機組出力約束、系統(tǒng)備用約束、安全約束、DPFC物理及運行約束等多個約束條件皆滿足的情況下，通過優(yōu)化配置DPFC的容量和安裝地點，以單個規(guī)劃周期內(nèi)最小化系統(tǒng)線路阻塞為目標函數(shù)，基于場景集（依據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)及經(jīng)驗挑選出的經(jīng)典場景）的DPFC優(yōu)化配置目標函數(shù)為：

式中：PL i，t，s為t時刻下第i條線路在場景s下傳輸?shù)挠泄β剩籔 i，rate為第i條線路的有功功率極限；Πs為典型場景出現(xiàn)的概率；NScenes、T、L分別為總場景數(shù)量、單個規(guī)劃周期和輸電線路總數(shù)。

2.2.2 約束條件

1）供電平衡

式中：為場景S中t時刻線路k的傳輸功率；δ+(n)和δ-(n)分別為n節(jié)點線路的末端與首端；為場景S中t時刻水電機組h i的出力；為場景S中t時刻風電機組wi的出力；為場景S中t時刻光伏機組pv i的出力；為場景S中n節(jié)點在t時刻的負荷值；h(n)、w(n)、pv(n)分別為水電、風電和光伏機組的集合。

2）線路潮流約束

式中：和分別為t時刻場景S中m和n節(jié)點的相角；為DPFC在t時刻場景S中線路k上的注入電壓；B k為線路k的電納。

3）機組出力約束

式中：為t時刻場景S中風電機組w的預測功率；為t時刻場景S中光伏機組pv的預測功率；與分別為水電機組h的功率上下限；

4）系統(tǒng)備用約束

式中：為t時刻場景S中系統(tǒng)運行所需的備用；為t時刻場景S中水電機組h的備用功率；為水電機組h的爬坡速率；η為水電機組爬坡速率與短時備用之間的比例系數(shù)。

5）安全約束

式中：為t時刻S場景下線路k傳輸?shù)膫鬏斈芰Γ籐 klim為線路k的傳輸極限；為t時刻S場景下n節(jié)點的相角。

6）DPFC物理及運行約束

式中：N k為DPFC在線路k上的安裝數(shù)量；u k=1和u k=0分別表示線路k上是否安裝DPFC；NL為線路總數(shù)量；和分別為DPFC在線路k上安裝數(shù)量的上、下限；N T為單個規(guī)劃周期內(nèi)線路安裝DPFC總數(shù)量。和分別為線路k上單個DPFC注入電壓的上、下限，其表達式分別為：

式中：SDPFC為DPFC容量；為線路k的電流上下限。將某地區(qū)新能源數(shù)據(jù)帶入DPFC配置模型可確定決策變量N k的數(shù)值，確定DPFC在各條線路具體安裝數(shù)量及安裝位置。

2.3 DPFC運行控制策略

在DPFC優(yōu)化配置完成的基礎(chǔ)上，考慮到低碳節(jié)能和降本增效的要求，將DPFC運行場景分為兩類：正常情景（新能源發(fā)電量能夠全部消納）和新能源大發(fā)情景（新能源發(fā)電量遠大于輸送通道容量），對兩種不同的場景分別提出運行控制策略。正常情景下以最小化電力系統(tǒng)的運行成本為目標提出運行控制策略；新能源大發(fā)情景下以最小化電力系統(tǒng)的新能源丟棄為目標進行控制。

2.3.1 正常情況下DPFC運行控制

新能源接入電力系統(tǒng)后，正常情況下是可以被消納的，但由于其間歇性、不確定性等特性，會導致某些關(guān)鍵線路負載率較高，發(fā)電成本高的發(fā)電機出力較多。在這種情況下，含DPFC的運行控制策略中目標函數(shù)為系統(tǒng)運行成本最低，系統(tǒng)運行成本由水電機組發(fā)電機成本、新能源棄風和棄光成本兩部分組成。

1）目標函數(shù)

式中：C i，t、C j，t、C k，t分別為t時刻第i臺水電機組的發(fā)電成本、第j個風電場的棄風成本和第k個光伏電站的棄光成本；為t時刻場景S下水電機組i的出力；為t時刻場景S下風電場j丟棄的功率；為t時刻場景S下第k個光伏電站丟棄的功率；T為單個優(yōu)化周期。

2）約束條件

其中，有功等式約束、發(fā)電機約束、線路約束同優(yōu)化配置模型，DPFC的配置地點與數(shù)量也由上述模型得到。不同點在于，有功等式約束需考慮棄風、棄光，具體為：

式中：P i，t，s為t時刻場景S下水電機組的出力；P l，t，s為線路l在t時刻場景S下中傳輸?shù)挠泄β剩籔 j，t，s為t時刻場景S下第j個風電場的并網(wǎng)功率；P k，t，s為t時刻場景S下第k個光伏電站的并網(wǎng)功率；P n，t，s為t時刻場景S下n節(jié)點的負荷；為配置了DPFC的線路；為未配置DPFC的線路；ND為負荷的數(shù)量；為t時刻s場景下第j個風電場的棄風功率；為s場景下t時刻第k個光伏電站的棄風量。除此之外，還需滿足新能源棄風和棄光約束，具體如式（21）—（22）所示。

2.3.2 新能源大發(fā)場景下DPFC運行控制

當電力系統(tǒng)遭遇新能源大發(fā)情況下，某些線路會出現(xiàn)線路阻塞，影響新能源消納，此時DPFC的接入會轉(zhuǎn)移重載線路潮流，減少因線路阻塞所造成的新能源棄風、棄光情況。在新能源大發(fā)情況下DPFC優(yōu)化配置以最小化新能源丟棄為目標函數(shù)。

1）目標函數(shù)

2）約束條件

有功等式約束、發(fā)電機約束、線路約束同優(yōu)化配置模型，DPFC的配置地點與數(shù)量也由模型得到。不同的是，有功等式約束需考慮新能源棄風、棄光的有功功率，具體為：

式中：P i，s為發(fā)電機i在新能源大發(fā)t時刻的出力；P l，t為線路l在新能源大發(fā)下t時刻傳輸?shù)挠泄β?；為第j個風電場在新能源大發(fā)t時刻的并網(wǎng)功率；P k，t為第k個光伏電站在新能源大發(fā)t時刻的并網(wǎng)功率；P n，t為n節(jié)點在新能源大發(fā)t時刻的負荷；為第j個風電機組在新能源大發(fā)t時刻的棄風量；為第k個光伏發(fā)電機組在新能源大發(fā)t時刻的棄光量；為第i個水電機組在新能源大發(fā)t時刻的棄水量。另外，還需滿足以下新能源棄風、棄光約束。

3 算例分析

本文通過IEEE 24節(jié)點算例對促進高滲透率新能源消納的DPFC優(yōu)化配置策略研究進行仿真驗證和分析，此節(jié)點系統(tǒng)共使用300套DPFC，表1為在不同電壓等級線路下DPFC對應的注入電壓。

表1 不同電壓等級線路下DPFC對應的注入電壓Tab.1 Injection voltage corresponding to DPFC under different voltage levels

將風電、光伏接入19號節(jié)點和20號節(jié)點，其他節(jié)點全部為水電機組，改進后的節(jié)點系統(tǒng)如圖3所示。目前DPFC設計的容量為70 kVA，考慮當前桿塔的分布情況及安裝位置的限制，假設每1.5 km線路最多可裝設1套DPFC。

圖3 DPFC安裝位置及線路負載情況Fig.3 Installation position and line load of DPFC

3.1 DPFC優(yōu)化配置策略

為驗證DPFC在促進新能源消納方面的有效性，在本文所提DPFC優(yōu)化配置策略的基礎(chǔ)上，考慮在實際電網(wǎng)中安裝成本與地點的原因，選用4種典型場景（依據(jù)天氣以及歷史經(jīng)驗選取出現(xiàn)頻率最高的場景）分別來模擬電網(wǎng)的實際運行環(huán)境，假設4種典型場景出現(xiàn)的概率相同。表2為考慮各場景電力系統(tǒng)運行成本的含DPFC最優(yōu)配置信息。表3為各場景下新能源并網(wǎng)功率。

表2 DPFC配置信息Tab.2 DPFC configuration information

表3 各場景下新能源并網(wǎng)功率Tab.3 Grid connected power of new energy under each scenario MW

通過對新能源輸電線路進行分析可知：15-18線路全天平均負載率過高達86.46%；而18-20線路全天平均負載率僅有65.65%，將DPFC安裝在新能源外送通道中，靈活控制線路潮流，解決傳輸通道不足的問題、降低關(guān)鍵線路重載率。仿真算例結(jié)果驗證配置策略的正確性和模型的有效性，為實際情況的優(yōu)化配置提供依據(jù)。針對解決線路阻塞問題并且降低安裝成本，本文將圍繞一些重載線路進行DPFC的安裝配置。

3.2 正常情況下DPFC運行控制

正常情況下新能源接入電力系統(tǒng)是可以被消納的，但是由于新能源發(fā)電節(jié)點附近線路負載率過高，不利于發(fā)電機組的優(yōu)化調(diào)度與運行，迫使運行成本較高的發(fā)電機高負荷運行。因此正常情況下DPFC運行控制以運行成本最小為目標，分析算例系統(tǒng)在配置DPFC前后的運行成本，并與配置UPFC的運行成本進行對比分析，分析結(jié)果如圖4—5所示。

圖4 配置DPFC前后系統(tǒng)運行成本比較Fig.4 Comparison of system operation cost before and after deploying DPFC

圖5 配置DPFC比UPFC節(jié)省的系統(tǒng)運行成本Fig.5 System operation cost saved by deploying DPFC compared with UPFC

在各個場景下，由于DPFC靈活的潮流控制能力，成本都有不同程度的降低。在場景三中，無DPFC裝置系統(tǒng)的總運行成本為399 521美元，經(jīng)DPFC潮流控制后，系統(tǒng)運行成本降為392 915美元，同比下降1.654%。在本文的4個典型場景中，在大部分時間段里場景三的輸電線路阻塞問題更加明顯，通過DPFC對阻塞線路潮流控制后節(jié)省的系統(tǒng)運行成本也更高。另外UPFC是集中式潮流控制設備，工作方式是通過調(diào)節(jié)控制串、并聯(lián)電壓源幅值和相角等參數(shù)來實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和線路串聯(lián)補償，但UPFC設備在實際電網(wǎng)應用時容量大，成本高并且安裝位置較為固定，DPFC靈活、高效的特性在調(diào)控線路潮流方面更具優(yōu)勢，更有利于解決線路阻塞問題的同時提升系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。

配置DPFC裝置前后發(fā)電機出力的變化情況如圖6所示。由圖可以看出：當處于光伏發(fā)電充足時期，DPFC接入能夠使得發(fā)電成本較低的1號發(fā)電機增加出力，同時發(fā)電成本較高的13號發(fā)電機減小出力，可見DPFC的運行控制策略有效地實現(xiàn)了對線路潮流、發(fā)電機的優(yōu)化控制，從而降低了系統(tǒng)的運行成本。

圖6 配置DPFC后發(fā)電機出力的變化Fig.6 Change of generator output after deploying DPFC

相比于其他場景，場景三的阻塞問題更加明顯。圖7為正常場景三下DPFC注入線路的電壓情況。將風電、光伏分別接入19號節(jié)點與20號節(jié)點后造成外送輸電18—19線路潮流阻塞。因此，在該線路上裝設89個DPFC，每個DPFC對該線路所能提供的注入電壓最大值為0.003 4 p.u.，即降低15—18線路的負載率，使其部分潮流從18—20線路送出，DPFC通過注入電壓的增減來調(diào)節(jié)線路潮流的變化，在新能源發(fā)電充足的情況下DPFC充分發(fā)揮了潮流控制的作用，從而緩解系統(tǒng)阻塞問題、提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

圖7 場景三下DPFC運行控制結(jié)果Fig.7 DPFC operation controlresults in scenario three

3.3 新能源大發(fā)情況下DPFC運行控制

當新能源發(fā)電量超出線路負載能力時，就會發(fā)生大規(guī)模的新能源棄風、棄光現(xiàn)象。在這種情況下，DPFC的運行控制策略是以減少新能源棄風和棄光為目標，利用DPFC對線路潮流的控制能力轉(zhuǎn)移重載線路的潮流，促進新能源的消納。圖8和圖9對比了在高滲透率新能源大發(fā)場景下安裝DPFC、UPFC以及不配置潮流控制器情況下的新能源并網(wǎng)功率、關(guān)鍵線路負載率等。

圖8 新能源并網(wǎng)功率對比Fig.8 Comparison of grid connected power of new energy

圖9 線路19-20潮流對比Fig.9 Comparison of power flow of line 19-20

該場景下新能源外送線路15—18由于潮流運輸通道的不足，造成線路阻塞，出現(xiàn)新能源棄風和棄光現(xiàn)象，安裝DPFC和UPFC裝置會提高新能源并網(wǎng)功率，說明接入DPFC可以緩解新能源外送線路的阻塞，轉(zhuǎn)移阻塞線路潮流，從而促進新能源的消納水平。DPFC通過轉(zhuǎn)移阻塞線路（15—18）中的一部分潮流，將潮流轉(zhuǎn)移到19-20線路中流出，因而19、20節(jié)點處原本丟棄的新能源能夠充分利用19—20線路送出，提升新能源并網(wǎng)功率。接入DPFC后新能源的平均并網(wǎng)功率由449.84 MW提升至453.69 MW，新能源棄風和棄光率也相應下降了1.32%。此外，系統(tǒng)安裝UPFC后將新能源并網(wǎng)功率提升至451.74 MW，新能源棄風和棄光率下降了1.25%。綜上所述：DPFC在提升新能源并網(wǎng)功率、降低新能源棄風和棄光率方面的效果明顯優(yōu)于UPFC。

經(jīng)過上述仿真驗證可知：配置DPFC的策略在減少新能源棄風和棄光方面具有突出優(yōu)勢，下面進一步分析配置DPFC策略的有效性。圖9表明了裝設DPFC、UPFC和不配置潮流控制器外送輸電線路19—20在24 h內(nèi)的潮流變化，系統(tǒng)中裝設DPFC后，可以控制線路的潮流，轉(zhuǎn)移重載線路的潮流。如圖9所示，算例系統(tǒng)安裝DPFC后，原本阻塞線路15—18中的潮流部分轉(zhuǎn)移至19—20線路流出，19—20線路中的平均傳輸功率為14.23 MW，提升輸電線路平均負載率1.51%。當UPFC安裝到電力系統(tǒng)后，19—20線路上的平均傳輸功率僅提升8.45 MW，線路負載率提升0.49%，DPFC在控制潮流方面較UPFC更加分散靈活。因此，上述分析再次驗證了DPFC對阻塞線路潮流控制效果優(yōu)于UPFC。

4 結(jié)論

本文通過對高滲透率新能源引起的線路潮流阻塞問題的研究，分析了含DPFC的優(yōu)化配置策略在促進新能源消納上的作用，得出以下結(jié)論。

1）規(guī)劃方面，DPFC的優(yōu)化配置可緩解因線路通道容量不足所造成的新能源棄風、棄光現(xiàn)象，促進新能源消納，助力實現(xiàn)“雙碳”目標。

2）運行控制方面，系統(tǒng)在正常情況下通過DPFC對發(fā)電機組出力進行調(diào)節(jié)，降低新能源發(fā)電成本；在新能源大發(fā)情況下利用DPFC對線路潮流的控制能力轉(zhuǎn)移重載線路的潮流，促進新能源的消納。

本文僅考慮了對DPFC進行初步的優(yōu)化配置，后續(xù)將嘗試構(gòu)建基于直流潮流的詳細優(yōu)化模型，進而提高配置方案的準確性及適用性。