含VSC-HVDC系统的风光并网极限容量的研究

张 昕，杜俊杰，曾 东，温 镇，章慧芸

（国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

含VSC-HVDC系统的风光并网极限容量的研究

张 昕，杜俊杰，曾 东，温 镇，章慧芸

（国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

在含电压源换流器和全控型开关器件为基础的VSC-HVDC中，引入风光互补发电技术则是一种新能源与新技术的结合，这种结合不仅能够解决了传统高压直流输电中的许多技术难点，同时也加强了地区能源资源优化配置，提高了系统供电的可靠性。在VSC-HVDC系统的基础上，考虑风光资源不稳定的特性，建立了风光接入的最优模型，通过最优潮流理论分析，求解风光接在不同节点的极限并网容量，并以30节点的算例进行验证，证明该方法的有效性。

VSC-HVDC；风光并网极限容量；内点法

0 引言

以电压源换流器和全控型开关器件为基础的VSC-HVDC（电压源换流器高压直流输电）成为了新一代的直流输电技术，解决了传统高压直流输电（HVDC）中的许多技术难点，具有诸多优点，同时也成为众多学者的研究热点[1-4]。而21世纪传统能源危机和气候恶化，导致风电、光伏发电等清洁可再生能源发电技术势必成为主流[5，6]。在含VSC-HVDC的交直流系统中，研究可再生能源并网容量，能够提高风能、太阳能等可再生资源利用率，而计算其最大容量，需要计算满足一定稳定约束条件下电力系统方程。目前，国内外普遍使用风电场穿透功率极限描述风电场并网最大容量。

VSC-HVDC的元件特性及数学模型与传统HVDC模型存在较大差异，在计算含VSC-HVDC的交直流系统中风光并网极限容量时，原有的算法已不再适用，需要重新推导。文献[7，8]介绍了瞬时风电穿透概念和各国有关风电穿透功率的标准。文献[9，10]分别采用遗传算法和改进粒子群算法来计算风电最大接入容量，但是人工智能算法属于随机搜索方法，应用于大规模电力系统计算速度相对较慢，且每次计算结果可能有差异。文献[11]基于牛顿-拉夫逊法提出了含VSC-HVDC交直流系统的OPF（最优潮流）问题的解决方案，但由于该方法普遍采用迭代试验法，通过编程实现存在难度，同时也不适用于风光并网极限容量的计算。文献[12]采用内点算法，可以有效地计算电网在极限运行状态下的风电接入能力，但该文献基于某一固定网络分析，没有得出一般性的规律，且没有考虑VSC-HVDC系统。综上可知，内点法计算速度快、实用性强，尤其适用风、光电场在发电系统中所占比例不太大情况下的优化计算。

以下从系统的最优潮流入手，建立交直流系统中风光接入能力最优模型，考虑风电电压和光伏发电功率因数约束，用内点法对风光并网极限容量进行求解，验证模型的有效性。

1含VSC-HVDC的交直流系统数学模型

1.1 含VSC-HVDC的交直流系统功率稳态方程

含VSC-HVDC的交直流系统一般由交流系统、换流站和直流网络3部分组成（见图1）。

图1 含VSC-HVDC的交直流系统示意图

可令换流器的输入电压为Uci=Uci∠θci；注入该节点的交流节点的电压为交流系统流入换流变压器的功率为Psi+jQsi，流入换流桥的功率为Pci+jQci，换流站换流变压器的等效阻抗为Ri+jXLi。

根据文献[13]推导，得到交直流系统的修正方程见式（1）。对交流节点，其节点功率平衡方程与传统潮流计算一致。

式中：i，j代表了节点的编号；P，Q，U分别代表有功功率、无功功率与电压幅值；分别代表注入节点i的有功功率和无功功率；ΔPi，ΔQi为节点i的节点功率偏差；j∈i表示与i节点相连的所有节点；θij，Gij，Bij为节点i，j间的相角差、电导以及电纳。

直流系统的修正方程见式（3）：

根据求解变量的个数，需要增加直流网络方程：

式中：Idi为直流节点的电流；ΔIdi为直流网络电流偏差；Rdij代表直流节点i，j间电阻。

1.2 含VSC-HVDC的交直流系统控制方式

含VSC-HVDC交直流系统的控制方式比较灵活，一般将以下变量作为控制目标：直流节点上的交流电压Us、直流电压Ud、流入环流变压器的交流功率Ps和Qs。在进行潮流计算或最优潮流计算时，系统中每个VSC需要选择2个控制变量，一般有如下4种组合[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。对常见的两端交直流系统而言，其控制方式组合为上述两两组合，而对于多段或多馈入系统而言，组合方式将更加多元化。

2 含VSC-HVDC的交直流系统风光极限容量计算模型

风力发电机以风为动力，输出特性会直接受风速影响。风的随机波动性和间歇性决定了风力发电机的有功功率也是波动和间歇的，光伏阵列的输出功率是受负荷状况和外部环境（光照强度、环境温度等）影响的非线性函数。在一个含有风光的电力系统中，可以将风电场和光伏电站分别等效为可控电源。通常风电场应具备无功功率控制能力，在公共电网电压处于正常范围内时，风电场应能控制并网点电压偏差在额定电压的-3%～7%范围内。大型和中型光伏电站的功率因数应能够在0.98（超前）～0.98（滞后）范围内连续可调。计算风光最大接入容量的最优潮流模型见式（5）：

式中等式约束条件h（x）包括：交、直流节点的有功、无功潮流方程式（1）和式（2）；直流节点方程式（3）和式（4）；直流系统控制方式方程以及光伏发电机有功、无功关系见式（6）。

式中：PPV，QPV分别为光伏电站输出的有功、无功功率；cosαPV为功率因数。

不等式约束条件g（x）主要是变量的上下限约束，包括：电源的有功、无功出力；交直流节点电压；直流调制度；注入直流节点为有功、无功功率和光伏电站的功率因数上下限。文中取光伏电站的功率因数在0.98（超前）～0.98（滞后）范围内连续可调。

内点法的具体求解过程参见文献[15]，需要注意的是，求解过程中的等式、不等式约束皆应考虑直流参数与直流方程，受其影响的雅克比矩阵与海森伯矩阵也应相应改变；此外，为了迅速找到最优解，设定风电场和光伏电站的初始有功出力为功率上限，而常规火电机组的初始有功出力为其最低保证出力，其他初始值（如节点电压幅值和相角）直接采用平直起动。

3 算例分析

以30节点系统为例进行计算，改造后30节点含VSC-HVDC的交直流系统如图2所示。该系统有30个节点，其中发电机节点6个，负荷节点（包括发电机-负荷节点）20个，线路41条。直流参数见表1。

图2 改造后30节点含VSC-HVDC交直流系统示意图

表1 30节点系统直流参数p.u.

对各参数的调节范围作以下的约定：对于连续变量，节点的电压范围设为[0.9,1.1]；对含风电场的节点，电压范围为[0.97，1.03]，VSC-HVDC的调制度范围限设为[0.5，1.0]，直流电压范围设定为[1.5，2.5]，含光伏电站的节点功率因数为0.98（超前）～0.98（滞后），有功输电容量范围为[-3.0，3.0]，无功输电容量范围为[-3.0，3.0]，基准容量为100 MVA。收敛条件设定为当对偶间隙小于10-6停止时计算，最大迭代次数设定为100次。

直流系统的控制方式为：VSC1设定定电压控制和定无功功率控制，VSC2设定定有功功率控制和定交流节点电压控制。

风光并网有2种规划方案可供选择：方案1是风电场和光伏电站组成风光互补发电厂经升压后接入同一节点，此方案充分考虑了太阳能与风能在时间、空间上的互补性。方案2是风电场与光伏电站接在系统不同节点上，此方案下，若风光点距离较近或者风光容量在系统中比重较大，风光的互补性也能得到利用。30节点算例中，6个发电机节点的编号为1—6，其中1号节点为平衡节点，由于风光接在不同节点时，最大容量有所不同，故将已有的火电机组分别置换为风电与光伏机组，其中1号平衡节点的发电机组保留，不予置换。

30节点系统机组出力限值见表2。

表2 30节点系统机组出力限值p.u.

按照方案1，将发电机节点依次置换为风光互补机组，经计算，极限容量见表3。在OPF2方式下，以风光机组置换3号机组为例，计算收敛结果见图3。

表3 风光电源接在同一节点上的极限容量p.u.

图3 方案1计算收敛曲线

按照方案2，2台发电机分别置换为风电机组和光伏电站，经计算，极限容量见表 4。在OPF1方式下，以风光机组分别置换3号、4号机组为例，计算收敛结果见图4。

对比表3和表4可以发现：

（1）按方案1，在OPF1方式下，在接入节点6时的极限容量最大；在OPF2方式下，在接入节点2时的极限容量最大，风电场和光伏电站的并网容量之和不应超过该值。

（2）按方案2，在OPF1方式下，节点2置换为风电机组，节点3置换为光伏电站时的极限容量最大；在OPF2方式下，节点6置换为风电机组，节点2置换为光伏电站时的极限容量最大，系统可接受的风光极限容量最大。

可见，在带负荷节点接入风光机组可直接平衡当地负荷，一般来说，负荷越大，节点联络线越多，该节点所能接受的风光容量就越大。

表4 风光电源接在不同节点上的极限容量

图4 方案2计算收敛曲线

4 结论

针对含VSC-HVDC的交直流系统，基于最优潮流理论，建立了风光接入能力的最优潮流模型，采用内点法进行计算，通过30节点系统算例验证了该方法的有效性。通过该方法能够在系统设计时，充分考虑资源能源优化配置，提高可再生能源并网的发电容量。

参考文献：

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[4]牛博彦，胡林献，张众.基于VSC-HVDC的风电场并网系统潮流算法研究[J].电力系统保护与控制，2014，42（24）∶6-11.

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[9]朱雪凌，张洋，李强，等．基于遗传算法的风电场最优接入容量问题研究[J]．电力系统保护与控制，2010，38（9）∶55-60．

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[15]王锡凡.现代电力系统分析 [M].北京：科学出版社，2003.

（本文编辑：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

张 昕（1987），男，工程师，从事输电线路运行管理工作。