含高渗透率海上风电电网的DSSC 优化配置与运行控制策略

俞智鹏， 叶 荣， 唐雨晨， 汤 奕

（1.东南大学， 江苏 南京 210096； 2.国网福建省电力有限公司 经济技术研究院， 福建 福州 350012）

0 引言

随着海上风电制造与并网技术的日趋成熟，海上风电的装机规模不断增大[1]，[2]。 由于风电出力具有间歇性与波动性的特点， 因此高比例风电的接入将会给电力系统运行与控制带来诸多不确定性， 输电线路阻塞就是一个重大问题。与陆上风电相比，海上风电具有独特的地理环境，受天气的影响更加显著，更易出现风电高水平出力，甚至满发的情况，输电线路阻塞问题更加明显， 成为制约海上风电并网规模的重要因素。

目前，针对输电线路阻塞问题，国内外学者主要从以下3 个方面展开研究并加以解决。

（1）输电线路扩张

综合考虑负荷、风电以及能源价格的不确定性，从建模、求解方法、可靠性及电力市场等方面研究输电线路扩张问题，从而对输电网络进行最优扩张[3]～[5]。这类研究虽然可以从根本上解决输电线路阻塞问题，但由于高投资成本与长建设周期的弊端，无法在短时间内取得成效。

（2）调整发电计划与合理弃风

通过调整发电计划可以实现发电调度与弃风的平衡，从而有效缓解线路阻塞问题[6]。另外，利用柔性负荷参与电网调度来缓解输电阻塞也取得了较大的进展[7]，[8]。 上述研究虽然能在一定程度上缓解输电线路的阻塞， 但是不合理的发电计划会大大增加系统的运行成本， 大量丢弃可再生能源也与充分利用新能源的政策不相符合。

（3）FACTS 设备进行潮流控制

为了更加充分地利用现有输电线路的灵活性，在处理输电阻塞问题上，柔性交流输电设备的潮流控制取得了很好的效果。 此类研究采用灵敏度方法、最优潮流法确定FACTS 设备的配置地点与容量， 并以两阶段的优化调度方法处理风电的不确 定 性[9]～[11]。

以上方法可以发挥FACTS 设备在潮流控制时的优越性。但是，目前的研究主要针对投资成本高、可靠性低的集中式的FACTS 设备，鲜有对分布式柔性交流输电（D-FACTS）设备的相关研究。针对以上不足， 一些研究人员探讨了DSSC 在线路潮流控制中的可行性， 并针对DSSC 提高线路承载能力与配置地点的选择进行了初步的探索[12]～[14]。但是，以上研究没有涉及高渗透率风电场景，对海上风电场景下的研究更为缺乏。

针对上述研究的不足，本文提出一种含高渗透率海上风电电网的分布式静态串联补偿器优化配置与运行控制策略。 基于多场景，以输电线路阻塞程度最低为目标，配置一定数量的DSSC；在DSSC 配置结果的基础上， 分别针对正常场景与异常场景给出DSSC 的运行控制策略。 在正常场景下， 通过对DSSC 的控制实现发电机组的最优调度，从而降低系统的运行成本；在异常场景下，利用DSSC 转移重载线路中的潮流， 减少因线路阻塞造成的弃风弃水现象，从而增加可再生能源的消纳。

1 含高渗透率海上风电区域面临的问题

含大规模海上风电区域所面临的一个重要问题， 是高渗透率风电背景下输电通道的阻塞，这也是限制风电接入规模的重要因素。 一方面，输电线路阻塞不利于发电机组的优化调度，将迫使某些运行成本较高的发电机组高负荷运行，却没有充分利用系统中运行成本较低的发电机组，从而增加了系统的运行成本。 另一方面，由于海上风电受天气的影响非常频繁，在大风暴雨等天气条件下易造成系统中的风电水电出力水平较高，将进一步加剧线路的阻塞，此时系统将以“弃风”和“弃水“的方式来保证系统的安全稳定运行，不利于可再生能源的消纳。然而，分布式静态串联补偿器可以实现输电线路灵活的潮流控制，降低线路阻塞带来的影响。 如图1 所示，对于高渗透率风电并网场景，分布式静态串联补偿器可以改变系统中关键线路的潮流分布，转移重载线路中的潮流， 充分发挥现有输电线路的灵活性，更有效地实现系统中发电机的调度与运行，从而降低系统运行成本。 另外，对于风电水电高出力场景， 系统中关键线路的阻塞现象更为严重，此时利用分布式静态串联补偿器进行潮流控制，可使部分潮流从邻近支路流出，从而降低大规模风电因线路阻塞引起的消纳困难，增加系统风电的接纳能力。

图1 高渗透率海上风电系统消纳难题Fig.1 Accommodation problem in high-penetration offshore wind power system

2 DSSC 优化配置策略

2.1 DSSC 数学模型

分布式静态串联补偿器是一种用于潮流控制的D-FACTS 设备，DSSC 是一种单相设备， 并且可以直接安装在线路上， 其容量一般为0~20 kVA。 图2 为DSSC 的电路图。

DSSC 由单相变压器、 机电开关R1、 滤波电路、PWM 逆变器和相应的控制模块组成。其中，单相变压器具备高匝数比（约50∶1），即使线路电流较大， 也可使DSSC 控制电路部分保持较低的工作电流。 DSSC 通过单相变压器向线路注入一个幅值连续可调的、相位和线路电流垂直的电压，从而改变线路的等效阻抗，进而控制线路潮流。机电开关R1 用来旁路DSSC， 当DSSC 不进行线路潮流控制时，R1 处于闭合状态。DSSC 的控制模块利用采集到的电流信号， 经过相应的控制策略来控制PWM 逆变器的工作状态。 另外，通信模块通过接收来自主控制器的控制信号，驱动DSSC 工作。

图2 DSSC 电路图Fig.2 Circuit diagram of DSSC

一般地，线路中流过的有功电流表示为

式中：V1，V2分别为线路两端的电压幅值；X 为线路的电抗；δ 为线路两端的相角差。

DSSC 串入线路后， 相当于串入了一个与线路电流垂直的电压，因此，线路有功潮流是DSSC串入电压的函数[15]：

进一步地简化：

式中：VDSSC为DSSC 注入线路的电压。

可以看出， 线路潮流的增减取决于DSSC 注入电压的相位。

2.2 考虑多场景的DSSC 优化配置方案

影响高渗透率海上风电消纳的一个重要因素为线路阻塞。本文在进行DSSC 优化配置时，在考虑多场景的基础上， 以系统线路的阻塞程度最小化为目标， 从而保证在DSSC 配置完后系统拥有最小的阻塞程度。

2.2.1 目标函数

式 中：PLi，t，s为 场 景s 下t 时 刻 第i 条 线 路 中 传 输的有功功率；Pi，rate为第i 条线路的传输容量极限；∏s为场景s 出现的概率； Scenes，T，L 分别为场景数量、优化总时间、线路总数。

2.2.2 约束条件

有功等式约束：

式 中：PGi，t，s为s 场 景 下t 时 刻 发 电 机i 的 出 力；PLl，t，s为 场 景s 下t 时 刻 线 路l 中 传 输 的 有 功 功率；PWj，t，s为s 场景下t 时刻第j 个风电场的并网功 率；PDn，t，s为s 场 景 下t 时 刻n 节 点 的 负 荷；VDSSCl，t，s为s 场 景 下t 时 刻 线 路l 上 的DSSC 逆 变电压；Bl为线路l 的电纳；θl+，t，s，θl-，t，s分别为s 场景下t 时刻线路l 首端、 末端节点的相角值；NLn+，NLn-分别为注入与流出节点n 线路的集合；NG，NW，ND 分别为发电机、风电场、负荷节点数量。

发电机约束：

式中：PGi，t-1，s为s 场景下t-1 时刻第i 台发电机的出力；PAi，t，sU，PAi，t，sD分别为s 场景下t 时刻第i 台发电机增多、 减少的出力值；RSVi，t，s为s 场景下t时刻第i 台发电机的备用容量；PGimax，PGimin分别为第i 台发电机出力的上、下限；RiU，RiD分别为第i 台发电机的上爬坡率、下爬坡率。

线路约束：

式 中：PLllim为 线 路l 的 传 输 容 量 极 限；PLl，t，s为 场景s 下t 时刻第i 条线路中传输的有功功率；θl+lim，θl-lim分别为线路l 首段、 末端节点相角值的上 下 限；θl+，t，s，θl-，t，s分 别 为s 场 景 下t 时 刻 线 路l首端、末端节点的相角值。

DSSC 配置约束：

式中：Nl，DSSC，Nsum分别为线路l 上装设DSSC 的数量、DSSC 的 安 装 总 数 量；Nl,lim为 线 路l 上 安 装DSSC 的数量限制，Nl,lim与线路长度有关， 本文中假设相邻DSSC 安装距离至少为1 km；VDSSCmax，VDSSCmin分别为单个DSSC 串入线路电压幅值的最大、最小值，p.u.；SDSSC为单个DSSC 的容量，本文设为20 kVA：kl为线路l 的负载率；Slmax为线路l的视在功率。

3 DSSC 运行控制策略

DSSC 优化配置完成后， 须要针对不同的运行场景，给出DSSC 的运行控制策略，作为调度部门的运行参考。

3.1 正常场景下DSSC 运行控制

在正常场景下， 系统可以满足风电的消纳需求。但是由于某些线路负载率较高，不利于发电机组的优化调度与运行， 迫使某些运行成本较高的发电机高负荷运行。 因此，DSSC 在这种情况下的运行控制以系统运行成本最小化为目标， 即通过DSSC 的潮流控制， 充分调度系统中运行成本较低的发电机组，从而降低系统的运行成本。

3.1.1 目标函数

式中：Cgi，t，Cwj，t分别为t 时刻第i 台发电 机的发电 成 本、第j 个 风 电 场 的 弃 风 成 本；PGi，t，s为s 场景下t 时刻发电机i 的出力；PWj，t，sloss为s 场景下t 时刻第j 个风电场丢弃的功率；T 为优化总时间。

3.1.2 约束条件

有功等式约束须考虑弃风：

式 中：PGi，t，s为s 场 景 下t 时 刻 发 电 机i 的 出 力；PLl，t，s为 场 景s 下t 时 刻 线 路l 中 传 输 的 有 功 功率；PWj，t，s为s 场景下t 时刻第j 个风电场的并网功 率；PDn，t，s为s 场 景 下t 时 刻n 节 点 的 负 荷；PWj，t，sloss为s 场景下t 时刻第j 个风电场的弃风量。

除此之外，还须满足弃风约束：

3.2 异常场景下DSSC 运行控制

受天气影响， 在海上风电系统出现风电水电高出力的异常场景下，由于线路的阻塞问题，系统已经不能保证接纳风电的能力， 会造成大规模的“弃风”和“弃水”现象。 在这种情况下，DSSC 的运行控制以系统接纳可再生能源能力最大化为目标，通过转移重载线路的潮流，提高可再生能源的消纳水平。

3.2.1 目标函数

式中：PHi，tloss，PWj，tloss分别为异常场景下t 时刻第i个水电场的弃水量、第j 个风电场的弃风量；NH，NW 分别为水电场与风电场的数量；T 为优化总时间。

3.2.2 约束条件

有功等式约束须考虑可再生能源的丢弃量（弃风与弃水）：

式中：PGi，t为异常场景下t 时刻发电机i 的出力；PLl，t为异常场景下t 时刻线路l 中传输的有功功率；PWj，t为异常场景下t 时刻第j 个风电场的并网功率；PDn，t为异常场景下t 时刻n 节点的负荷；PWj，tloss为异常场景下t 时刻第j 个风电场的弃风量；PHi，tloss为异常场景下t 时刻第i个水电场的弃水量。

另外，还须满足弃风、弃水约束：

4 总体框架

图3 为本文所提策略的总体框架图。

图3 本文所提策略流程图Fig.3 The flow chart of proposed strategy

本文所提策略分为两个阶段：DSSC 优化配置阶段与DSSC 运行控制阶段。 优化配置阶段在多场景提取的基础上， 以系统中线路的阻塞程度最低为目标， 确定一定数量DSSC 的配置地点与相应地点的配置容量。 运行控制阶段分为两种场景：在正常场景下，以系统运行成本最低为目标，得出DSSC 运行控制策略， 从而充分调度发电成本较低的发电机；在大风暴雨天气下，容易造成风电水电出力水平较高， 从而使关键线路出现严重阻塞现象，须丢弃部分可再生能源，以保证电网的安全稳定运行。为了提高可再生能源的消纳，在异常场景下， 以系统可再生能源接纳能力最大化为目标，得到DSSC 的运行控制策略，从而提升可再生能源的消纳水平。

5 算例分析

本文以图4 所示的IEEE24 节点系统为分析对象。 19 号节点接入海上风电，23 号节点接入水电机组，其余为火电机组。

图4 IEEE24 节点系统Fig.4 IEEE24 node system

表1 给出了各节点发电机的发电成本。另外，系统的弃风成本为21$/（MW·h）。 根据系统中的潮流分布情况可知，线路1-5，7-8，8-9，14-16，16-19 的负载率较高，易发生线路潮流重载现象。

表1 各发电机发电成本Table 1 Generation cost of generators

续表1

5.1 DSSC 优化配置

海上风电的并网功率如表2 所示。 本文基于表2 所示的场景S1～S4 对DSSC 进行优化配置，共配置300 个DSSC， 单个DSSC 的容量为20 kVA。算例中假设4 个场景出现的概率相同，得到的DSSC 优化配置结果如表3 所示。

表2 各场景下风电并网功率Table 2 Output of grid-connected wind power in each scene

表3 DSSC 优化配置结果Table 3 Optimal allocation results of DSSC

为了进一步验证本文提出的基于线路负载率的DSSC 优化配置策略的有效性， 对比采用相同容量的SSSC 和不采用FACTS 或D-FACTS 设备对线路负载程度的影响，结果如图5 所示。

图5 SSSC 对线路阻塞程度的影响Fig.5 The influence of SSSC in line congestion level

为了确保算例的可比性， 后面的算例均考虑DSSC 安装地点及容量的结果。 SSSC 的安装地点为线路2-6，容量为6 MVA，与DSSC 的总安装容量相同。

5.2 正常场景下DSSC 运行控制

正常情况下， 风电的接入不会造成线路较大程度的阻塞， 此时DSSC 的运行控制以系统运行成本最低为目标。 图6 对比了各个场景下装设DSSC 与不装FACTS 设备以及装设相同容量的SSSC 系统运行成本的差异。 在场景S1~S4 下，由于DSSC 的潮流控制能力， 在各个时刻系统运行成本都有不同程度的降低。 以S1 为例， 不装设FACTS 设备系统的运行成本为416 601.63$，经DSSC 潮流控制后，系统运行成本降为414 594.18$，同比下降0.482%。由表2 中数据可以看出，4 个场景中，S1 的风电渗透率在多数时刻都最大，因而其线路阻塞问题会更加突出， 经DSSC 潮流控制后节省的运行成本也较多。 因此，FACTS 设备的接入可以降低系统的运行成本。 由于DSSC 的分布特点和灵活性所致， 在降低系统运行成本方面DSSC 具有更大的优势。

图6 系统运行成本对比Fig.6 Comparison in system operating cost

图7 显示了配置DSSC 前后发电机出力的变化。 由于DSSC 的接入，改变了系统潮流的分布，可以更有效地调度系统中发电成本更低的发电机发电，从而减少了由于线路传输容量限制导致的不合理的发电调度现象。 由于DSSC 对线路潮流的控制作用，更加有效地实现了对发电机的优化调度，从而降低了系统的运行成本。

图7 配置DSSC 后发电机出力的变化Fig.7 Changes in generator output with DSSC

图8 为正常场景S1 下DSSC 注入线路的电压情况。线路上装设DSSC 的结果已由表3 给出，单个DSSC 串入线路的电压最大值可以表示为

图8 场景S1 下DSSC 运行控制结果Fig.8 DSSC operation control results in scene S1

由图8 可见，DSSC 在线路潮流重载时几乎运行在极限状态，最大程度地发挥其潮流控制能力。 以线路16-19 为例，风电接入19 号节点后造成该线路潮流重载， 该线路上装设有48 个DSSC，所能提供的电压最大值为0.003 84 p.u.，该条线路上的DSSC 始终提供最大容性电压值，即减少19-16 方向的潮流， 部分从邻近线路送出，进而缓解了线路潮流的阻塞程度。

5.3 异常场景下DSSC 运行控制

当由于天气原因造成系统中可再生能源发电量大增时（如大风暴雨造成风电水电出力水平较高）， 尤其是海上风电受大风的影响更加普遍，在高渗透率风电区域很容易造成线路潮流阻塞，此时系统会以“弃风”、“弃水”的方式来缓解重要支路的过载，从而保证系统安全稳定运行。这种情况下，不可避免地会造成可再生能源的大量丢弃，此时DSSC 的运行控制以系统“弃风”和“弃水”总量最少为目标。

在异常场景下配置各种FACTS 设备的对比如图9 所示。

图9 异常场景下配置各种FACTS 设备负载率对比Fig.9 Load ratio comparison in abnormal scene with various FACTS devices

图9（a）对比了在表2 场景S_serious 下装设DSSC，SSSC 以及不装设FACTS 设备系统风电的并网功率。 因为在该场景下风电水电出力水平较高，造成关键线路（16-19）严重阻塞，为了保证电网运行的可靠性， 系统出现了弃风现象。 由图9（a）可以看出，不配置FACTS 时风电的并网功率最低。由于DSSC 接入后转移了阻塞线路（16-19）中的一部分潮流， 使其从19-20 线路中流过，19号节点处的风电可以更多地通过19-20 线路送出。这意味着风电可以得到更好的消纳，从而减少了系统可再生能源的丢弃。接入DSSC 后，风电的平均并网功率由526.11 MW 提升至534.19 MW，弃风率由原先的20.06%下降到18.83%。 另外，由于SSSC 的灵活性较DSSC 差，接入后风电的接纳能力只能提升至528.50 MW， 系统弃风率仍有19.69%。 由此显示出DSSC 在提升风电接纳能力方面具有更大的优势。

图9 （b） 显示了装设DSSC，SSSC 和不装FACTS 设备时线路19-20 中的潮流情况。 很明显，系统中装设FACTS 设备后，可以转移重载线路的潮流，从而提高轻载线路的负载率。由于系统装设了DSSC， 原本阻塞的线路16-19 中的潮流一部分被转移到19-20 线路，19-20 线路中的平均传输功率由108.55 MW 提升至118.6 MW，线路负载率提升1.61%。 与DSSC 分散式、灵活性的特点相比，SSSC 只是装设在一条支路上， 其对电网整体的潮流控制效果不如DSSC。SSSC 接入后，19-20 线路上的平均传输功率仅提升至110.95 MW，线路负载率提升了0.48%。

6 结论

通过对含高渗透率海上风电区域线路阻塞问题的研究，分析了分布式静态串联补偿器在线路潮流控制上的作用，得出以下结论：①对一定数量的DSSC 进行优化配置可以降低系统线路的阻塞程度；②DSSC 可以灵活控制线路潮流，优化调度发电机组的出力， 从而降低系统运行成本；③在系统受外部天气影响导致可再生能源高出力时，DSSC 能够转移重载线路中的潮流，从而增加可再生能源的消纳水平。