柔性直流接入海上風電并網選址綜合優化

劉曉明，譚祖貺，袁振華，劉玉田*

（1.國網山東省電力公司經濟技術研究院，山東省 濟南市 250021；2.電網智能化調度與控制教育部重點實驗室(山東大學)，山東省 濟南市 250061）

0 引言

近年來，受氣候變化導致的能源轉型要求所驅動，海上風電發展更加迅速，2020年中國新增海上風電裝機容量達到3.06 GW，位列全球第一[1-2]。2021年全球新增海上風電裝機容量約19.5 GW，最大的貢獻依然來自中國大陸，占4/5，約為16.9 GW。隨著海上風電資源的逐步開發，更大單機容量、更大規模的海上風電場將是未來發展方向[3]。目前，海上風電場并網方式主要有高壓交流輸電和高壓直流輸電[4]。其中，高壓直流輸電方案比高壓交流輸電方案具有更大的優勢，而高壓直流輸電方案中，基于柔性直流輸電(voltage source converter high voltage direct current，VSC-HVDC)的并網方案與傳統直流方式相比，具有靈活可靠的特點[5-6]，成為海上風電并網的研究熱點。

隨著海上風電場規模的不斷增大，風電的消納問題亟須解決，風電接入后的電網安全性也面臨挑戰[7-8]。不同的風電并網點對電網的影響也不同，選擇合適的并網點對于風電消納和電網安全穩定運行具有重要實際意義。文獻[9]基于線路過載和功率靈敏度篩選柔性直流的接入點，但是未涉及風電并網內容。文獻[10]以經濟效益為優化目標，對經柔性直流接入的海上風電場和并聯電容器組進行聯合優化選址和選型，但未考慮風電功率波動影響。文獻[11]針對交流接入的風電系統，利用小干擾穩定分析尋找對電網電壓影響最小的風電并網點，文獻[12]針對交流接入的大規模陸上風電，考慮有功需求、輸電網絡脆弱度、電力系統安全穩定性和經濟性因素，選擇合適的風電并網點，但是它們均未涉及柔性直流接入的海上風電。文獻[13]針對經柔性直流接入的風電場，在陸上接入點選擇時，充分考慮了電壓源換流器(voltage source converter，VSC)換流站的電壓支撐能力，但是未考慮電網消納能力及電網強度問題。

針對目前大規模海上風電柔性直流并網選址研究較少、選址考慮因素不全面的問題，本文提出了一種經柔性直流接入的大規模海上風電場陸上并網點選擇方法，并將該方法應用于某海上風電接入的山東電網進行仿真驗證。

1 陸上并網點選擇影響因素

1.1 海上風電消納能力

2020年全國風電發電量為4 665億kW·h，棄風電量約166億kW·h，利用率達97%，但是風電發電量占全社會用電量比例僅約為6.2%[2]。考慮到“碳中和2060”的目標，風力發電的比重將大幅增長，大規模海上風電接入的消納以及利用率情況成為必須考慮的問題。

對于不同的并網點，風電消納能力主要考慮如下2個方面：一是系統調節和電網輸送能力，具體是指并網點在短期內滿足自身負荷需求的同時向外輸送風電的能力，對于不同的風電并網點，負荷水平越高，向外輸送風電的能力越強，其風電的消納能力也就越強；二是電能需求，具體是指在一個長周期的時間范圍內該并網點有功的消耗情況，將風電并入電能需求高的節點，可以緩解可能發生的電能短缺問題，并提高風電消納水平。

1.2 受端電網電壓穩定性

對于經柔性直流接入的海上風電場，其對電網電壓穩定性的影響具體考慮如下2個方面。

1）VSC換流站的電壓支撐能力

VSC換流器具有獨立控制無功功率的特性，因此它可以用作具有大容量的無功功率補償設備[14]，通過對VSC換流站的控制，可以有效支撐換流站附近電網電壓[15]，進而提高接入區域的交流系統電壓穩定性[16]。因此，選擇合適的風電并網點，將會有效提高電網電壓穩定性。

2）風電功率波動對受端電網的影響

海上風電場的出力隨著風力的隨機變化而動態波動，當風電功率出現較大變化時，由于潮流的改變，接入區域的電壓也會隨之波動[17]，甚至越限。當大規模風電接入電網時，風電滲透率提高，風電功率的波動可能會導致更加嚴重的問題。當風電場并入不同的電網節點時，由于電網結構不同，電網潮流不同，由風電功率波動引起的電網電壓波動也就不同，因此，對于風電并網點的選擇，風電功率波動影響是必要的考慮因素。

1.3 并網點脆弱度

目前，世界范圍內發生的很多大停電事故是因為某些脆弱線路的退出而導致潮流轉移，引起相繼保護跳閘，從而發生連鎖故障[18]，而其中多起又與風機大面積脫網有關。通過對電網節點的脆弱度分析可以評價電網安全等級，找到電網的薄弱位置[19]。在海上風電并網點選擇時，應當對并網點進行脆弱度分析，并避免將風電場并入這些節點，以免因風電場的出力波動或者故障退出而導致嚴重的電網事故。

1.4 海上風電建設成本

在選擇海上風電場并網點時，建設成本也是必要的考慮指標，對于不同的陸上并網點，海上風電場、升壓站和換流站的投資是相同的，成本的主要區別在于海纜的長度不同。因此，在選擇海上風電場并網點時，主要考慮不同并網方案的海纜長度。

2 評估指標計算

2.1 風電消納

風電消納的關鍵問題是系統的調節能力和電網輸電能力[20]，具體而言，包括系統調峰能力、系統備用水平、電網網架約束與送出、負荷水平和風電出力特性[21]。在風電并網點選擇研究中，由于接入區域范圍不大，系統調峰水平與備用情況類似，因此主要考慮并網點送出能力及負荷水平等因素。

用電負荷與常規機組最小技術出力之間的運行區域是系統的調節空間，再加上經聯絡線最大外送功率，即為風電最大消納空間[22]，同時為了考慮極限情況下最大風電消納，假定并網點j負荷為日最小負荷Pj,Lmin，系統調節和電網輸送能力指標計算如下：

式中：Pa,j為并網點j的風電最大消納空間；Pj,tmax為并網點j可以經聯絡線外送的最大功率；Pj,gmin為與并網點j相連的第g臺常規機組的最小技術出力；G為與并網點j相連的所有常規機組的臺數。

在對電能需求指標進行計算時，結合社會發展和中長期負荷預測[12,23]，對未來一段時期的負荷水平進行綜合，獲得并網點電能需求L(j)。

綜合以上2個方面，并網點風電消納指標C1計算如下：

2.2 電網電壓穩定性

2.2.1 VSC電壓支撐

VSC換流站對無功需求響應迅速且靈活，可以用來支撐接入區域電壓[24]。出于經濟性等因素的考慮，海上風電場的并網點選擇方案一般都集中于一個范圍不大的區域內，因此可以只考慮VSC換流站對該接入區域內母線電壓的支撐能力。在假定海上風電出力為穩定值的情況下，可以將并網點視為電網的有功功率和電壓給定節點(PV節點)。利用文獻[25]中用于電網電壓穩定性在線監測快速計算的簡化L指標，計算不同VSC換流站位置對電網電壓穩定性的影響。

將海上風電接入區域的節點分成2組：一組為所有發電機組節點集合αG；一組為所有負荷節點集合αL。簡化L指標[25]可以計算如下：

式中：Lsj為負荷節點j的簡化L指標值，用于反映系統電壓穩定程度，指標值越大，系統電壓越不穩定，其取值范圍為0≤Lsj≤1；Vi和Vj分別為負荷節點i和j的電壓；Pi和Qi分別為負荷節點i注入的有功和無功功率；Xij為負荷節點i、j之間的電抗。

海上風電接入區域內簡化L指標值最大的節點代表其電壓穩定性最差，可以用來反映VSC換流站的電壓支撐效果，因此接入區域VSC電壓支撐指標C2計算如下：

2.2.2 風電功率波動影響

評價風電并網引起的電網電壓波動指標有電壓分布指標、偏度指標、保持指數指標等[26]。在此基礎上，本文主要考慮接入區域母線電壓和風電出力波動情況，提出計及風電出力變化的母線i靈敏度Ii計算式[27]如下：

式中：PW0為海上風電場穩態出力；ΔPW為風電功率變化值；Ui(PW0+ΔPW)為風電出力為PW0+ΔPW時母線i的電壓；Ui(PW0)為風電出力為PW0時母線i的電壓；ΔUi為風電波動為ΔPW時母線i的電壓變化值。

面對風電功率波動時，電壓波動更大的母線節點因其越限的可能性相對較大，需要特別關注。同時考慮到大規模風電接入時，接入的輸電網絡一般電壓等級比較高，可以認為接入區域電網母線電壓最大波動在2%額定電壓以內，該指標可視為合格，因此風電波動指標C3計算如下：

式中αB為接入區域母線集合。

2.3 電網節點脆弱度

電網節點脆弱度反映了其網絡結構的重要性和魯棒性，如果并網點脆弱度高，很可能因為風電場故障而破壞電網的安全穩定運行。對于風電并網點的脆弱度分析，可以從以下2個方面考慮：一是考慮并網點相連線路負載率，負載率越高，該并網點越脆弱；二是考慮并網點相連線路N?1故障情況下并網點電壓偏差，偏差越大，該并網點越脆弱。

對于并網點j，假設線路Ik(k=1,2,…,mg)與其相連，該線路在風電并網前傳輸功率為Pk，且最大傳輸功率為Pkmax，則負載率指標計算如下：

式中δk為權重系數。

假設線路Ik故障切除前后并網點j的電壓分別為Uko和Uk，則N?1故障節點電壓偏移指標計算如下：

本文綜合考慮負載率和電壓偏移，并網點脆弱度指標C4計算如下：

2.4 建設成本

對于不同的并網點選擇方案，單位長度的直流海纜價格相同，因此建設成本指標C5可以計算如下：

式中：Lj是海上風電場與并網點j的直線距離；λj是在實際工程中海纜建設需要考慮的彎曲系數。

3 基于信息熵和模糊層次分析的綜合賦權

信息熵主要用于描述信息源的不確定性，而熵權法是基于信息熵原理提出的用于客觀評價指標權重的方法。如果評價指標的信息熵小，則代表其提供的信息量大，在系統評價時的權重占比也要大[28]。模糊層次分析法改進了層次分析法判斷矩陣一致性檢驗和權重求取，主觀評價指標權重。為了結合客觀評價和主觀評價的綜合權重，彌補單一方法的不足，本文對2種賦權方法進行了集成。

假設海上風電并網點共有n個可選節點、m個評價指標，則可以建立一個數據矩陣：

式中r'ij為第j個可選并網點的第i個評價指標值，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。

綜合權重的確定步驟具體如下：

1）原始數據的無量綱化和歸一化處理。本文提出的指標中，C1指標值越大，節點越優；C2,C3,C4,C5指標值越小，節點越優。因此用式(13)處理數據矩陣R'，得到無量綱歸一化數據矩陣R，使得數據在[0,1]內，且數據值越大，指標值越優。

2）基于熵權法的客觀權重計算。根據熵的定義，計算第i個評價指標的熵值如下：

且設定當fij=0時，fijln fij=0。

根據熵權法，第i個評價指標的權重表示為

3）基于模糊層次分析的主觀權重計算。假設對于并網點選擇的m個指標，有如下模糊判斷矩陣：

式中aij代表第i個評價指標比第j個評價指標重要的程度，0≤aij≤1，aij+aji=1，i,j=1,2,…,m，具體aij可以由“九標度法”表得到。

假設有s個專家基于“九標度法”表評價m個指標，并給出aij的標度值a(t)ij，t=1,2,…,s，aij可以計算如下：

式中λt為第t個專家評價的權重，且=1。

根據模糊層次分析法，主觀權重計算如下：

式中a≥(n-1)/2，為一常數，可以設a=(n-1)/2。

4）綜合權重偏差最小的組合賦權。熵權法過于依賴客觀的數據，但規劃數據往往不充分；模糊層次分析通過專家的經驗進行可行的判斷，但難免帶有主觀片面性。綜合上述2種方法，將會有效提高評價結果的準確性[29]。

由于本文僅涉及一個主觀權重與一個客觀權重，因此對矩估計理論的最優組合賦權法進行簡化，以綜合權重ωi與主、客觀權重的偏差平方和最小為優化目標，設主觀權重相對重要程度系數為α，客觀權重相對重要程度系數為1-α，則優化模型表示為

不考慮0≤ωi≤1的約束，構造如下Lagrange函數：

式中λ為Lagrange乘子。

顯然，求得的ωi滿足約束條件0≤ωi≤1。

綜上所述，經柔性直流接入的海上風電陸上并網點選擇步驟具體如下：

1）根據接入區域電網運行數據及海上風電規劃數據，結合潮流計算及仿真結果，利用式(1)—(11)計算不同海上風電并網點的各個指標值，并進行歸一化處理。

2）基于各指標值，利用式(17)計算基于熵權法的指標客觀權重基于模糊判斷矩陣，利用式(20)、(21)計算基于模糊層次分析法的指標主觀權重

3）利用式(25)得到各指標綜合權重ωi，通過對不同并網點各指標值及其對應綜合權重加權求和，得到不同并網點的綜合得分，得分最高者即為最優的海上風電并網點。

4 仿真驗證

4.1 煙臺威海電網模型

為了驗證所提海上風電場并網點選擇方法的有效性，利用PSS/E對某風電場接入山東省東部沿海電網進行仿真分析。山東煙臺、威海部分電網接線如圖1所示，接入區域母線負荷如表1所示，規劃建設的海上風電場位于黃海海域內。風電場額定容量為1 200 MW，經柔性直流接入。陸上VSC換流站容量為1 200 MW，直流輸電的電壓等級為±200 kV，可選并網點為6、9、13、14，其電壓等級均為220 kV。

圖1 山東省東部沿海電網接線圖Fig.1 Wiring diagram of eastern Shandong coastal power grid

表1 山東東部部分母線負荷數據Tab.1 Load data of buses in eastern Shandong

4.2 最優并網點選擇

風電消納指標C1和建設成本指標C5不需要進行數值仿真，僅通過電網運行數據和風電場參數即可得到結果。

電壓支撐指標C2、風電波動指標C3和電網節點脆弱度指標C4均需要通過PSS/E仿真計算得到結果。為不失一般性，假設風電場穩態出力為500 MW，在計算電壓支撐指標C2時，將海上風電接入母線節點視為PV節點；在計算風電波動指標C3時，假設風電波動功率為300 MW。

標準化處理后各并網點指標值如表2所示，假定主觀、客觀權重的重要程度一致，均取0.5，計算得到各指標客觀權重、主觀權重以及綜合權重，結果如表3所示。其中，專家評價模糊判斷矩陣為

表2 標準化后各可選并網點指標值Tab.2 Index values of optional access points after standardization

表3 各計算指標權重Tab.3 Weight of each evaluation index

基于指標值和綜合權重，通過計算可以得到各并網點得分，如表4所示，可以看出，并網點14得分最高，為最優并網點。

表4 各并網點得分Tab.4 Score of each optional access point

4.3 最優并網點驗證

1）風電功率變化對電網電壓的影響

對于4個備選并網點，針對風電功率增加至額定滿出力的情景進行仿真，記錄接入區域電網中220 kV母線電壓波動平均值與最大值，結果如表5所示。

表5 電壓波動結果Tab.5 Results of voltage fluctuation

根據表5中數據可知，當并網點為14時，接入區域電網電壓波動平均值與最大值均最小，與本文方法計算的結果相符。

2）故障后電網電壓情況

對于4個備選并網點，分別在選出的關鍵故障情況下仿真，記錄接入區域電網電壓變化情況，并進行對比分析。支路1—2的500 kV三相接地故障發生在靠近母線1的一側，故障發生0.1 s后切除線路，其典型母線的電壓變化曲線如圖2所示。支路3—13的220 kV三相接地故障發生在靠近母線13一側，故障發生0.1 s后切除線路，母線10的電壓情況如圖3所示。

圖2 1—2支路500 kV線路故障下典型母線電壓Fig.2 Typical bus voltage of 1-2 branch 500 kV line fault

圖3 3—13支路220 kV線路故障下母線10電壓Fig.3 Bus 10 voltage of 3-13 branch 220 kV line fault

從圖2可以看出，當并網點為14時，在故障發生后，典型母線的電壓最小值更大，在切除線路后，典型母線的電壓恢復更快且更穩定。由圖3可知，嚴重程度低一些的故障，如220 kV線路接地故障，當并網點為14時，其對電壓的支撐相比于其他并網點仍稍有優勢，但是并不明顯，主要是因為該故障對接入區域的電壓影響沒有500 kV三相接地故障大。

綜合以上2個因素，并考慮到在風電消納能力、建造的經濟性上并網點14同樣是最優的方案，這與計算得到的評價得分相符，證明該選擇方法有效。

5 結論

針對經VSC-HVDC接入電網的海上風電場并網點選址，在考慮并網的經濟性與安全穩定性的基礎上，提出了基于信息熵理論和模糊層次分析法的綜合評價方法，并進行了仿真分析，得到以下結論：

1）通過分析計算不同并網點的系統調節與輸送能力水平及電能預期需求，保證了風電并網點的消納能力，保障了大規模海上風電的高效利用，提高了風電并網的經濟性。

2）考慮VSC換流站的電壓支撐能力，有效利用了柔性直流輸電方式對受端電網的無功支撐；考慮風電功率波動對電網電壓的影響和并網點的脆弱度問題，降低了風電并網后其波動性對電網的影響，提高了受端電網的安全穩定性。

3）所提出的柔性直流接入海上風電場并網選址方法，可以為未來大規模海上風電并網選址提供理論指導。對于多個海上風電場接入同一區域電網的并網點選擇問題，需要進一步研究。