【精彩论文】计及换流器损耗的风电经柔直并网系统的随机最优潮流模型

戳蓝字“中国电力”关注我们哦！

都嘉慧，王长江

东北电力大学电气工程学院

引文信息

都嘉慧, 王长江, 李凌, 等. 计及换流器损耗的风电经柔直并网系统的随机最优潮流模型[J]. 中国电力, 2020, 53(5): 77-88. 

DU Jiahui, WANG Changjiang, LI Ling, et al. Stochastic optimal power flow of wind turbine through flexible grid connected system considering converter loss[J]. Electric Power, 2020, 53(5): 77-88.

研究背景

近年来风力发电呈现出大规模和高增速的发展态势，风电等新能源通过交流输电技术并网的弃风率大、经济性差，限制了新能源的发展。基于电压源换流器和脉宽调制技术的新一代高压直流输电技术（VSC-HVDC）可实现有功和无功快速解耦控制，为大规模风电等新能源的顺利并网提供了有力支撑，使电力系统朝着更加绿色，智能化的方向迅猛发展，风电经VSC-HVDC 并网将是未来风电的发展趋势。由于风电的随机性和波动性，使得风电大规模接入电网后给电力系统的安全稳定运行带来了严峻隐患，最优潮流是当前电力系统运行规划最主要工具之一，有必要对风电经VSC-HVDC并网的OPF模型进行深入分析。

论文所解决的问题及意义

目前，关于最优潮流的研究主要侧重于分别考虑VSC-HVDC和风电并网对电力系统的影响，并未深入研究风电经VSC-HVDC并网系统的随机最优潮流模型以及换流站不同控制方式和风电渗透率对最优潮流计算结果的影响。针对当前风电经VSC-HVDC并网系统随机最优潮流模型研究的不足，提出一种计及换流器损耗的风电经柔直并网的最优潮流模型。本文对通过计及换流器损耗，能够准确描述系统功率平衡关系和电压分布情况，并考虑定下垂控制策略的风电并网潮流优化计算模型，将VSC-HVDC直流网络和交流网络结合起来，进行最优潮流求解。采用自回归-滑动平均模型对风电不确定性进行准确模拟，继而通过以Kantorovich距离为指标的场景削减法，削减风电场景，获得有限个目标场景集。从而制定应对风电出力随机变化的相应措施，实现电网的安全运行，增强电网风电消纳能力。

论文重点内容

由于风电的随机性和不确定性，使得风电大规模并网后电力系统的安全稳定运行难度增大，因此有必要对风电经柔直并网系统的随机最优潮流展开深入研究。提出一种计及换流器损耗和风电随机性的风电经柔性直流并网的随机最优潮流模型。首先，建立风电功率数学模型和计及换流器损耗的VSC-HVDC数学模型，并考虑风电并网时换流站的不同控制方式；其次，利用场景法模拟风电功率的不确定性，并通过Kantorovich距离的场景削减技术提高计算效率，并构建风电经柔性直流并网系统随机最优潮流模型，并采用内点法对优化模型进行求解，利用统计学方法计算目标函数的数字特征；最后，以修改的IEEE-118节点系统为例进行仿真分析，验证所提出优化模型的合理性和有效性。具体流程图如图1所示。

图1  流程示意图

图2是随机生成的原始风电出力场景，图3是采用Kantorovich距离的场景削减技术得到的7个目标风电出力场景。由图2和图3对比可看出削减后的风电出力场景走势基本与原始场景保持一致，且场景数量确实大幅减少，说明本文采用的基于Kantorovich距离的场景削减技术可以有效处理风电的不确定性的问题。

图2  随机生成的原始风电出力场景

图3  采用Kantorovich距离的场景削减技术得到的7个目标风电出力场景

用修改的IEEE-118节点系统验证所提优化模型的正确性和有效性。交流并网时需要装设很多无功补偿装置、滤波装置，因此在使用传统的风电并网方式时，系统发电成本较高；而风电在经VSC-HVDC并网时，没有电容、电感的充电过程，换流器工作时无需补偿装置，故在输送过程中，发电成本远远低于传统方式并网。

（1）风电并网方式对最优潮流结果分析

本文提供的风电场经VSC-HVDC并网对系统进行最优潮流计算和风电直接经交流输电技术并网对系统进行最优潮流计算的对比结果如下表所示。

表1  最优发电费用的成本比较

由表1可知，风电场经VSC-HVDC并网的成本与传统风电并网方式的成本相比，由59 43元降低到58572元。由此可知，风电场经VSC-HVDC并网具有更高的经济性。

表2所示为系统在不同风电渗透率下运行的发电费用均值。由表2可知，当风电渗透率为零时（即风电场未接入系统），发电费用最高，渗透率持续增加时，发电费用依次减少。

表2  不同渗透率对发电成本的影响

图4对应不同风电渗透率时各发电机组的出力情况。由图4可知，随着渗透率的提高，发电机组的有功输出减小。当渗透率达到17.4%时，发电机26已在下限运行。

图4 不同风电渗透率下机组的最优出力

（2）换流器损耗对潮流模型的影响

不同换流器损耗模型的计算结果如下表所示。不同换流器损耗模型的计算结果对比由表3给出。由表3可知，在考虑和不考虑换流器损耗两种情况下，系统总网络损耗分别为45.83和46.97，可见换流器的有功损耗对OPF计算结果的影响不可忽略，考虑换流器损耗的模型更适合于系统实际运行情况。

表3  不同换流器损耗模型的计算结果对比

研究结论

基于计及换流器损耗的风电经柔性直流并网的随机最优潮流模型，更为准确的描述了系统功率的平衡关系和系统电压分布情况，真实反映了换流站内部稳态特征；实现了在保证计算精度的前提下，大幅减少风电场景数量，显著增强了计算效率；确保在电压不越限的前提下，获得了发电费用更低、损耗更小的系统运行点，对未来风电通过VSC-HVDC并网的发展具有一定的借鉴作用。

主要作者介绍

第一作者：都嘉慧，女，硕士，从事电力系统柔性直流输电研究。

E-mail: [e-mail]。

第二作者：王长江，男，博士研究生，从事电力系统稳定性分析与控制研究。

E-mail: [e-mail]。

团队介绍

东北电力大学李国庆教授科研团队依托电力系统安全运行与节能技术国家地方联合工程实验室，主要开展电力系统安全性与稳定性分析、电力系统优化调度、柔性直流输电技术、可再生能源集成、输变电设备运行状态监测与故障诊断、电能质量、综合能源系统等领域的科研工作。团队拥有教授5人、副教授8人，讲师3人；博士生导师3人，硕士研究生导师14人；团队有9名成员分别在田纳西大学(UTK)、北卡罗莱纳州立大学(NCSU)、北卡罗莱纳大学夏洛特分校(UNCC)、麦吉尔大学(McGill University)等国外高校和科研机构留学与研修一年以上；先后培养博士研究生12人，硕士研究生300余人。近年来，团队承担国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金项目和吉林省“双十工程”重大科技攻关项目等国家、省部级科研项目40余项；承担国家电网公司、南方电网公司、发电集团等科技项目100余项。获国家科技进步奖二等奖2项、省部级科技进步一等奖4项、省部级科技进步二等奖10项、省部级科技进步三等奖2项。发表论文400余篇，其中SCI/EI期刊论文300余篇，ESI高被引论文7篇；获授权发明专利24项，公开发明专利50余项。

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：许晓艳

声明

根据国家版权局最新规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编《中国电力》编辑部的作品，转载时要包含本微信号名称、二维码等关键信息，在文首注明《中国电力》原创。个人请按本微信原文转发、分享。欢迎大家转载分享。

关于我们

     联系电话:   [phone]（编辑）                      010-66603801（发行）                      010-66603587（传真）        邮    箱:  [e-mail]        网    址：www.chinapower.org

     官方微信号：ELECTRIC-POWER

        主办单位：国网能源研究院有限公司

                              中国电机工程学会

                     全球能源互联网研究院有限公司