促进高渗透率新能源消纳的DPFC优化配置策略

王海涛，周汝勇，房德智，段接迎，刘周峰，周霞，马道广

（1.国网黑龙江省电力有限公司，哈尔滨 150090；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106；3.南京邮电大学先进技术研究院，南京 210023）

0 引言

近年来，面对全球气候变暖所造成的环境危机问题，积极构建以风能、太阳能为核心的新能源体系是应对全球气候危机的有效措施［1］。2021年3月15日，习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上部署未来能源领域重点工作，指出要“构建以新能源为主体的新型电力系统”，以促进“碳达峰、碳中和”（以下简称：双碳）的重要战略目标［2-3］。随着新能源装机比例的增加，新能源在电力系统的应用也逐渐成熟。但由于新能源具有间歇性和波动性的特点，相比于常规机组其发电出力稳定性差，容易造成输送线路阻塞、潮流分布不均等问题，限制了新能源实际接入电网时的消纳率［4-5］。

针对上述问题，国内外学者提出了多种解决方案，主要有增加输电线路容量［6-7］、调整发电计划［8-9］和使用电力电子化装置对阻塞线路进行潮流调控等措施［10-12］。输电线路动态增容技术根据实时潮流分布增加输电线路容量，可有效缓解现有输电线路的阻塞问题，但实施受到气象以及技术等方面的限制；调整发电计划以研究新能源的高精度预测方法为突破，减少新能源预测误差。上述研究均对新能源消纳起积极作用，但在高比例新能源场景下传统解决方案较为保守不能彻底解决线路阻塞问题。伴随着电力电子技术的不断发展，新型潮流控制器在解决输电线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调节新能源发电线路潮流阻塞问题已成为当前解决此类问题的有效途径［16-17］，文献［18］提出通过最优配置潮流控制装置来降低弃风率，提高风电并网功率。统一潮流控制器（unified power flow controller，UPFC）作为新型潮流控制装置的一员，文献［19］提出了基于UPFC潮流调节功能的优先级控制策略，该策略所制定的UPFC优先级控制在电网正常运行模式下优先保证风电的消纳；在电网异常（故障或因工况变化）导致线路潮流重载的情况下，优先保证输电线路不超过其功率阈值。

上述潮流控制装置的优化配置策略尽管可以发挥其在降低线路阻塞、控制线路潮流方面的优越性，但集中式的潮流控制装置成本较高、潮流调节不灵活、可靠性相对较低。针对以上不足，文献［20］提出使用分布式潮流控制器（distributed power flow controller，DPFC）来适应输电线路对潮流控制的需求，同时制定优化配置策略的方式控制阻塞线路潮流。DPFC的设计原理是基于UPFC的结构消去相间耦合电容后各变流器装置直接与高压输电线路相连，这样的设计方式不仅利于实际电网安装，而且能降低装置的制造成本，有利于DPFC装置的大规模应用［21-22］。DPFC装置成本低、布点灵活且维护方便的特点，提升了其在潮流控制方面的应用和运行方面的经济性，因此分布式潮流控制器是未来电力电子装置调节潮流的发展趋势［23-24］。相关研究针对DPFC优化配置控制潮流方面进行了初步的探索，比如有学者提出了人工藻类算法在最优配置DPFC中的应用，在保证DPFC调节线路潮流特性的前提下，使系统潮流分布更加均匀，提高线路的稳定性和传输容量［25］。但是目前关于DPFC的配置及控制策略仅考虑新能源正常发电这一单一场景，不适用于当前新能源大发情况以及电网线路分布密集等复杂场景，同时没有考虑到高渗透率新能源并网造成的潮流分布不均、新能源弃风和弃光率过高等问题。

针对以上问题，本文提出了促进高渗透率新能源消纳的DPFC优化配置策略，解决了当前DPFC配置策略所存在的不足之处，在提升DPFC装置实际应用场景多样性的同时降低了DPFC大规模应用的成本。首先，构建了DPFC的优化配置模型，对接入系统的DPFC安装地点和数量进行了优化配置；其次，构建了两种DPFC的运行控制模型，分别提出了在正常和新能源大发情况下DPFC的运行控制策略；在正常情况下DPFC通过调整新能源发电的出力来实现降低运行成本，在新能源大发情况下则根据DPFC控制潮流的特性转移重载线路的潮流，提高新能源的消纳率。最后，通过IEEE 24节点算例对DPFC优化配置策略的可行性和有效性进行了验证。

1 含DPFC的多场景协调调度框架

本文提出了促进高渗透率新能源消纳的DPFC多场景协调调度策略，建立了系统运行成本最低以及新能源消纳量最大的多场景优化目标函数，构建了不同场景下的DPFC优化配置模型、运行控制模型；并基于含DPFC的运行控制模型，分析电网线路的阻塞率、负载率、发电机出力变化和加入DPFC前后运行成本的变化，探究了引入DPFC后对高渗透率新能源消纳能力的实际影响效果。

图1为新能源接入电力系统的含DPFC多场景协调调度框架。

图1 DPFC多场景协调调度框架Fig.1 Framework of DPFC multi-scenario coordinated scheduling

DPFC的加入会调整发电机的出力，增加发电成本较低的发电机出力，并且在极端天气下降低了关键线路的阻塞率，此时利用DPFC对阻塞线路控制使部分潮流从临近支路流出，从而减少高渗透率新能源消纳困难所引起的线路阻塞，提高系统的新能源消纳能力。

2 DPFC优化配置策略

2.1 DPFC基本原理

DPFC的设计原理是将UPFC的相间耦合电容消去后各变流器装置串联直接与高压输电线路相连，在输电线路上注入相角与幅度可控的电压。控制单元的作用是利用并联变流器将高压输电线路与大地相连，提供串联变流器运行所需的有功功率、补偿电网无功功率。并且DPFC可以通过控制输电线路潮流传输3次谐波实现串、并联侧装置的有功功率交换和无功功率补偿。DPFC的结构原理示意图如图2所示。

图2 DPFC结构原理图Fig.2 Schematic diagram of DPFC structure

在串联电抗运行模式下不启动逆变器模块，单相变压器进行侧边开路，DPFC将固定的电抗注入到阻塞线路中，从而实现潮流的单向阶梯式调节；DPFC以无功注入模式运行时，通过逆变器模块向阻塞线路注入幅值、相角均可控的电压，从而实现潮流的连续双向式调节；如果没有潮流控制任务，则通过开关K闭合DPFC支路。其注入电压可以表示为：

式中：为DPFC的注入电压；İ为注入电压线路的单位相量。

2.2 DPFC规划配置模型

2.2.1 目标函数

本文构建的DPFC规划配置模型是在供电平衡约束、线路潮流约束以及机组出力约束、系统备用约束、安全约束、DPFC物理及运行约束等多个约束条件皆满足的情况下，通过优化配置DPFC的容量和安装地点，以单个规划周期内最小化系统线路阻塞为目标函数，基于场景集（依据历史运行数据及经验挑选出的经典场景）的DPFC优化配置目标函数为：

式中：PL i，t，s为t时刻下第i条线路在场景s下传输的有功功率；P i，rate为第i条线路的有功功率极限；Πs为典型场景出现的概率；NScenes、T、L分别为总场景数量、单个规划周期和输电线路总数。

2.2.2 约束条件

1）供电平衡

式中：为场景S中t时刻线路k的传输功率；δ+(n)和δ-(n)分别为n节点线路的末端与首端；为场景S中t时刻水电机组h i的出力；为场景S中t时刻风电机组wi的出力；为场景S中t时刻光伏机组pv i的出力；为场景S中n节点在t时刻的负荷值；h(n)、w(n)、pv(n)分别为水电、风电和光伏机组的集合。

2）线路潮流约束

式中：和分别为t时刻场景S中m和n节点的相角；为DPFC在t时刻场景S中线路k上的注入电压；B k为线路k的电纳。

3）机组出力约束

式中：为t时刻场景S中风电机组w的预测功率；为t时刻场景S中光伏机组pv的预测功率；与分别为水电机组h的功率上下限；

4）系统备用约束

式中：为t时刻场景S中系统运行所需的备用；为t时刻场景S中水电机组h的备用功率；为水电机组h的爬坡速率；η为水电机组爬坡速率与短时备用之间的比例系数。

5）安全约束

式中：为t时刻S场景下线路k传输的传输能力；L klim为线路k的传输极限；为t时刻S场景下n节点的相角。

6）DPFC物理及运行约束

式中：N k为DPFC在线路k上的安装数量；u k=1和u k=0分别表示线路k上是否安装DPFC；NL为线路总数量；和分别为DPFC在线路k上安装数量的上、下限；N T为单个规划周期内线路安装DPFC总数量。和分别为线路k上单个DPFC注入电压的上、下限，其表达式分别为：

式中：SDPFC为DPFC容量；为线路k的电流上下限。将某地区新能源数据带入DPFC配置模型可确定决策变量N k的数值，确定DPFC在各条线路具体安装数量及安装位置。

2.3 DPFC运行控制策略

在DPFC优化配置完成的基础上，考虑到低碳节能和降本增效的要求，将DPFC运行场景分为两类：正常情景（新能源发电量能够全部消纳）和新能源大发情景（新能源发电量远大于输送通道容量），对两种不同的场景分别提出运行控制策略。正常情景下以最小化电力系统的运行成本为目标提出运行控制策略；新能源大发情景下以最小化电力系统的新能源丢弃为目标进行控制。

2.3.1 正常情况下DPFC运行控制

新能源接入电力系统后，正常情况下是可以被消纳的，但由于其间歇性、不确定性等特性，会导致某些关键线路负载率较高，发电成本高的发电机出力较多。在这种情况下，含DPFC的运行控制策略中目标函数为系统运行成本最低，系统运行成本由水电机组发电机成本、新能源弃风和弃光成本两部分组成。

1）目标函数

式中：C i，t、C j，t、C k，t分别为t时刻第i台水电机组的发电成本、第j个风电场的弃风成本和第k个光伏电站的弃光成本；为t时刻场景S下水电机组i的出力；为t时刻场景S下风电场j丢弃的功率；为t时刻场景S下第k个光伏电站丢弃的功率；T为单个优化周期。

2）约束条件

其中，有功等式约束、发电机约束、线路约束同优化配置模型，DPFC的配置地点与数量也由上述模型得到。不同点在于，有功等式约束需考虑弃风、弃光，具体为：

式中：P i，t，s为t时刻场景S下水电机组的出力；P l，t，s为线路l在t时刻场景S下中传输的有功功率；P j，t，s为t时刻场景S下第j个风电场的并网功率；P k，t，s为t时刻场景S下第k个光伏电站的并网功率；P n，t，s为t时刻场景S下n节点的负荷；为配置了DPFC的线路；为未配置DPFC的线路；ND为负荷的数量；为t时刻s场景下第j个风电场的弃风功率；为s场景下t时刻第k个光伏电站的弃风量。除此之外，还需满足新能源弃风和弃光约束，具体如式（21）—（22）所示。

2.3.2 新能源大发场景下DPFC运行控制

当电力系统遭遇新能源大发情况下，某些线路会出现线路阻塞，影响新能源消纳，此时DPFC的接入会转移重载线路潮流，减少因线路阻塞所造成的新能源弃风、弃光情况。在新能源大发情况下DPFC优化配置以最小化新能源丢弃为目标函数。

1）目标函数

2）约束条件

有功等式约束、发电机约束、线路约束同优化配置模型，DPFC的配置地点与数量也由模型得到。不同的是，有功等式约束需考虑新能源弃风、弃光的有功功率，具体为：

式中：P i，s为发电机i在新能源大发t时刻的出力；P l，t为线路l在新能源大发下t时刻传输的有功功率；为第j个风电场在新能源大发t时刻的并网功率；P k，t为第k个光伏电站在新能源大发t时刻的并网功率；P n，t为n节点在新能源大发t时刻的负荷；为第j个风电机组在新能源大发t时刻的弃风量；为第k个光伏发电机组在新能源大发t时刻的弃光量；为第i个水电机组在新能源大发t时刻的弃水量。另外，还需满足以下新能源弃风、弃光约束。

3 算例分析

本文通过IEEE 24节点算例对促进高渗透率新能源消纳的DPFC优化配置策略研究进行仿真验证和分析，此节点系统共使用300套DPFC，表1为在不同电压等级线路下DPFC对应的注入电压。

表1 不同电压等级线路下DPFC对应的注入电压Tab.1 Injection voltage corresponding to DPFC under different voltage levels

将风电、光伏接入19号节点和20号节点，其他节点全部为水电机组，改进后的节点系统如图3所示。目前DPFC设计的容量为70 kVA，考虑当前杆塔的分布情况及安装位置的限制，假设每1.5 km线路最多可装设1套DPFC。

图3 DPFC安装位置及线路负载情况Fig.3 Installation position and line load of DPFC

3.1 DPFC优化配置策略

为验证DPFC在促进新能源消纳方面的有效性，在本文所提DPFC优化配置策略的基础上，考虑在实际电网中安装成本与地点的原因，选用4种典型场景（依据天气以及历史经验选取出现频率最高的场景）分别来模拟电网的实际运行环境，假设4种典型场景出现的概率相同。表2为考虑各场景电力系统运行成本的含DPFC最优配置信息。表3为各场景下新能源并网功率。

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

表3 各场景下新能源并网功率Tab.3 Grid connected power of new energy under each scenario MW

通过对新能源输电线路进行分析可知：15-18线路全天平均负载率过高达86.46%；而18-20线路全天平均负载率仅有65.65%，将DPFC安装在新能源外送通道中，灵活控制线路潮流，解决传输通道不足的问题、降低关键线路重载率。仿真算例结果验证配置策略的正确性和模型的有效性，为实际情况的优化配置提供依据。针对解决线路阻塞问题并且降低安装成本，本文将围绕一些重载线路进行DPFC的安装配置。

3.2 正常情况下DPFC运行控制

正常情况下新能源接入电力系统是可以被消纳的，但是由于新能源发电节点附近线路负载率过高，不利于发电机组的优化调度与运行，迫使运行成本较高的发电机高负荷运行。因此正常情况下DPFC运行控制以运行成本最小为目标，分析算例系统在配置DPFC前后的运行成本，并与配置UPFC的运行成本进行对比分析，分析结果如图4—5所示。

图4 配置DPFC前后系统运行成本比较Fig.4 Comparison of system operation cost before and after deploying DPFC

图5 配置DPFC比UPFC节省的系统运行成本Fig.5 System operation cost saved by deploying DPFC compared with UPFC

在各个场景下，由于DPFC灵活的潮流控制能力，成本都有不同程度的降低。在场景三中，无DPFC装置系统的总运行成本为399 521美元，经DPFC潮流控制后，系统运行成本降为392 915美元，同比下降1.654%。在本文的4个典型场景中，在大部分时间段里场景三的输电线路阻塞问题更加明显，通过DPFC对阻塞线路潮流控制后节省的系统运行成本也更高。另外UPFC是集中式潮流控制设备，工作方式是通过调节控制串、并联电压源幅值和相角等参数来实现电压调节和线路串联补偿，但UPFC设备在实际电网应用时容量大，成本高并且安装位置较为固定，DPFC灵活、高效的特性在调控线路潮流方面更具优势，更有利于解决线路阻塞问题的同时提升系统运行经济性。

配置DPFC装置前后发电机出力的变化情况如图6所示。由图可以看出：当处于光伏发电充足时期，DPFC接入能够使得发电成本较低的1号发电机增加出力，同时发电成本较高的13号发电机减小出力，可见DPFC的运行控制策略有效地实现了对线路潮流、发电机的优化控制，从而降低了系统的运行成本。

图6 配置DPFC后发电机出力的变化Fig.6 Change of generator output after deploying DPFC

相比于其他场景，场景三的阻塞问题更加明显。图7为正常场景三下DPFC注入线路的电压情况。将风电、光伏分别接入19号节点与20号节点后造成外送输电18—19线路潮流阻塞。因此，在该线路上装设89个DPFC，每个DPFC对该线路所能提供的注入电压最大值为0.003 4 p.u.，即降低15—18线路的负载率，使其部分潮流从18—20线路送出，DPFC通过注入电压的增减来调节线路潮流的变化，在新能源发电充足的情况下DPFC充分发挥了潮流控制的作用，从而缓解系统阻塞问题、提高系统运行的经济性。

图7 场景三下DPFC运行控制结果Fig.7 DPFC operation controlresults in scenario three

3.3 新能源大发情况下DPFC运行控制

当新能源发电量超出线路负载能力时，就会发生大规模的新能源弃风、弃光现象。在这种情况下，DPFC的运行控制策略是以减少新能源弃风和弃光为目标，利用DPFC对线路潮流的控制能力转移重载线路的潮流，促进新能源的消纳。图8和图9对比了在高渗透率新能源大发场景下安装DPFC、UPFC以及不配置潮流控制器情况下的新能源并网功率、关键线路负载率等。

图8 新能源并网功率对比Fig.8 Comparison of grid connected power of new energy

图9 线路19-20潮流对比Fig.9 Comparison of power flow of line 19-20

该场景下新能源外送线路15—18由于潮流运输通道的不足，造成线路阻塞，出现新能源弃风和弃光现象，安装DPFC和UPFC装置会提高新能源并网功率，说明接入DPFC可以缓解新能源外送线路的阻塞，转移阻塞线路潮流，从而促进新能源的消纳水平。DPFC通过转移阻塞线路（15—18）中的一部分潮流，将潮流转移到19-20线路中流出，因而19、20节点处原本丢弃的新能源能够充分利用19—20线路送出，提升新能源并网功率。接入DPFC后新能源的平均并网功率由449.84 MW提升至453.69 MW，新能源弃风和弃光率也相应下降了1.32%。此外，系统安装UPFC后将新能源并网功率提升至451.74 MW，新能源弃风和弃光率下降了1.25%。综上所述：DPFC在提升新能源并网功率、降低新能源弃风和弃光率方面的效果明显优于UPFC。

经过上述仿真验证可知：配置DPFC的策略在减少新能源弃风和弃光方面具有突出优势，下面进一步分析配置DPFC策略的有效性。图9表明了装设DPFC、UPFC和不配置潮流控制器外送输电线路19—20在24 h内的潮流变化，系统中装设DPFC后，可以控制线路的潮流，转移重载线路的潮流。如图9所示，算例系统安装DPFC后，原本阻塞线路15—18中的潮流部分转移至19—20线路流出，19—20线路中的平均传输功率为14.23 MW，提升输电线路平均负载率1.51%。当UPFC安装到电力系统后，19—20线路上的平均传输功率仅提升8.45 MW，线路负载率提升0.49%，DPFC在控制潮流方面较UPFC更加分散灵活。因此，上述分析再次验证了DPFC对阻塞线路潮流控制效果优于UPFC。

4 结论

本文通过对高渗透率新能源引起的线路潮流阻塞问题的研究，分析了含DPFC的优化配置策略在促进新能源消纳上的作用，得出以下结论。

1）规划方面，DPFC的优化配置可缓解因线路通道容量不足所造成的新能源弃风、弃光现象，促进新能源消纳，助力实现“双碳”目标。

2）运行控制方面，系统在正常情况下通过DPFC对发电机组出力进行调节，降低新能源发电成本；在新能源大发情况下利用DPFC对线路潮流的控制能力转移重载线路的潮流，促进新能源的消纳。

本文仅考虑了对DPFC进行初步的优化配置，后续将尝试构建基于直流潮流的详细优化模型，进而提高配置方案的准确性及适用性。