交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析與控制問題研究

曾瓊 段宗希

（湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司 湖南長沙 410004）

交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析與控制問題研究

曾瓊 段宗希

（湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司 湖南長沙 410004）

交直流相關(guān)知識理論與技術(shù)不僅是物理教學(xué)中的重點(diǎn)，是學(xué)生必須掌握的一門學(xué)科知識，而且是我國電網(wǎng)改擴(kuò)建項(xiàng)目中的重要支撐，特別是直流輸電技術(shù)在大容量和遠(yuǎn)距離傳輸中更具優(yōu)越性。本文以交直流電力系統(tǒng)為研究核心，從暫態(tài)穩(wěn)定的機(jī)理與衡量指標(biāo)、暫態(tài)穩(wěn)定的控制技術(shù)和改善措施幾方面對其進(jìn)行研究，以期為電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的改善提供指導(dǎo)和借鑒。

暫態(tài)穩(wěn)定；交直流電力系統(tǒng)；機(jī)理分析；控制

前言

當(dāng)前，交流輸電和直流輸電是我國電力輸送的兩種主要方式，這兩種輸電技術(shù)的顯著優(yōu)勢是電力變換傳輸與分配靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性高，能夠較好的滿足大容量遠(yuǎn)距離電能傳輸需求，但缺點(diǎn)是容易引發(fā)大面積停電事故，加劇短路電流水平超限問題，缺乏網(wǎng)絡(luò)功能。而交直流電作為高中物理教學(xué)重要組成內(nèi)容，從這一角度對交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定問題盡心分析非常必要。

1 交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析

1.1 交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定機(jī)理

了解交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定機(jī)理，既是作為高中生在物理學(xué)習(xí)中應(yīng)掌握的一個重要知識點(diǎn)，同時也是探索出暫態(tài)穩(wěn)定有效改善措施的前提條件。但不同狀態(tài)下的交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定機(jī)理不同，因而我們需要針對不同情況下的交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行分析，主要從交流系統(tǒng)故障和直流系統(tǒng)故障兩方面來進(jìn)行。交流系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的暫態(tài)穩(wěn)定主要是由直流系統(tǒng)發(fā)生永久性封鎖故障所致。一旦直流系統(tǒng)發(fā)生永久性封鎖故障，將會造成受端電網(wǎng)大量功率減小，不足以滿意系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需，相對的送端電網(wǎng)功率會大量過剩，從而引發(fā)整個交流系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)大范圍的潮流轉(zhuǎn)移[1]。交流系統(tǒng)內(nèi)部的潮流轉(zhuǎn)移既是暫時性的也是長期的，這并不矛盾，因?yàn)榕c直流換相失敗故障類似，交流系統(tǒng)在封鎖故障消除后，大范圍的潮流轉(zhuǎn)移會逐步恢復(fù)，但同時被封鎖的交流系統(tǒng)會中斷功率的輸送，雖然功率損失較小但卻是長期性的。

當(dāng)受端電網(wǎng)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，在靠近故障點(diǎn)附近的直流系統(tǒng)逆變站會發(fā)生換相失敗故障。這一故障的發(fā)生主要與換流母線的交流電壓幅值、逆變站換相電抗、變壓器變比等多種因素有關(guān)，它會造成直流系統(tǒng)電流增大，直流反電壓減小，功率大幅下降，送端電網(wǎng)功率大量過剩，進(jìn)而造成交流系統(tǒng)內(nèi)部大范圍潮流轉(zhuǎn)移。研究表明，大范圍的潮流轉(zhuǎn)移會對聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重影響，使潮流大范圍的向交流輸電線路轉(zhuǎn)移，造成并列交流輸電線路暫態(tài)穩(wěn)定超出極限，最終致使整個系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)[2]。同時，發(fā)電機(jī)在這一過程中隨著其相對功角的擺開，可能會進(jìn)一步加劇暫態(tài)失穩(wěn)狀態(tài)?；谏厦鎯煞N情況分析不難發(fā)現(xiàn)，受端電網(wǎng)交流系統(tǒng)的短路故障和直流系統(tǒng)的永久性封鎖故障是對交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定影響最為顯著的兩種故障。

1.2 交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)

對于交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定評價來說，主要是評估交流系統(tǒng)對直流功率的接受能力，分析可能發(fā)生的暫態(tài)穩(wěn)定問題，初步判定交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平。而在這些評價指標(biāo)中，強(qiáng)度量化指標(biāo)尤為關(guān)鍵，包括單直流落點(diǎn)系統(tǒng)的強(qiáng)度量化指標(biāo)和多直流落點(diǎn)系統(tǒng)的強(qiáng)度量化指標(biāo)。在單直流落點(diǎn)系統(tǒng)中，直流輸電系統(tǒng)逆變站交流母線的有效短路比和臨界有效短路比是最為常用的交直流電力系統(tǒng)強(qiáng)度量化指標(biāo)，主要是通過對受端電網(wǎng)對直流系統(tǒng)逆變站電壓承受能力的評估來反映出直流系統(tǒng)的功率穩(wěn)定情況和電壓穩(wěn)定情況。通常兩者呈正比關(guān)系，即有效短路比越大則電壓承受能力越強(qiáng)[3]。在多直流落點(diǎn)系統(tǒng)中，由于各回直流系統(tǒng)換流站之間存在著較強(qiáng)的相互作用，因而由量化各換流站之間的相互耦合度所得到的耦合導(dǎo)納成為評價交直流電力系統(tǒng)的一個有效強(qiáng)度量化指標(biāo)。一般，直流換流站間的耦合導(dǎo)納越大，說明耦合度就越高，但其存在著兩個臨界值，分別為強(qiáng)耦合臨界導(dǎo)納和弱耦合臨界導(dǎo)納。

2 改善交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的具體對策

根據(jù)交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的機(jī)理與評價指標(biāo)分析，人們對交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定改善措施的研究和探索主要集中在兩方面，即交流系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定改善和直流系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定改善。

2.1 基于交流系統(tǒng)的改善對策

通過交流系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的改善來達(dá)到改善交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定情況，具體應(yīng)從三個方面來入手：①革新電網(wǎng)分區(qū)技術(shù)，改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理與否直接影響著整個交直流電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況。電力工作者應(yīng)在電網(wǎng)建設(shè)過程中對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的規(guī)劃與布設(shè)，采用先進(jìn)電網(wǎng)分區(qū)技術(shù)，如基于故障限流器的電網(wǎng)動態(tài)分區(qū)技術(shù)等來對電網(wǎng)實(shí)施科學(xué)合理的劃分，調(diào)整區(qū)域間電網(wǎng)的互聯(lián)方式，調(diào)整交流系統(tǒng)的電源配置和局部接線方式，增設(shè)動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定情況[4]。②提高交流系統(tǒng)短路故障的排除效率。交流系統(tǒng)的短路故障是造成交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定失穩(wěn)的主要故障之一，因而我們應(yīng)重視起對故障的預(yù)防和處理，購進(jìn)先進(jìn)電子元器件和電力設(shè)備，改善設(shè)備工作性能，提高設(shè)備工作效率。加強(qiáng)對交直流電力系統(tǒng)的檢查和狀態(tài)監(jiān)測，確保發(fā)生的故障可以被及時發(fā)現(xiàn)及時處理，提高交流系統(tǒng)短路故障的排除效率，降低短路故障對交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定影響。③強(qiáng)化電力設(shè)備的緊急控制。在交直流電力系統(tǒng)的日常運(yùn)行過程中，不可避免的會發(fā)生一些緊急情況，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，為了不因此而造成交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)，強(qiáng)化對交流系統(tǒng)電力設(shè)備的緊急控制顯得非常必要和重要，如強(qiáng)勵控制、切記、電氣制動、汽門等，這些設(shè)備的緊急操控都應(yīng)加以一定的強(qiáng)化。

2.2 基于直流系統(tǒng)的改善對策

通過改善直流系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定來改善交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，結(jié)合上面分析，其應(yīng)采取的措施主要有革新直流輸電技術(shù)，改善直流落點(diǎn)系統(tǒng)，優(yōu)化直流系統(tǒng)的恢復(fù)策略和增強(qiáng)直流系統(tǒng)的調(diào)制控制與緊急功率提升控制。直流輸電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)直流輸電的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，它既直接影響著直流系統(tǒng)本身的暫態(tài)穩(wěn)定，同時也影響著交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定[5]。隨著電力產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，電力企業(yè)應(yīng)積極革新直流輸電技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新研究力度，加快直流輸電技術(shù)改革，引入新型換流器，如電網(wǎng)換相換流器、電壓源換流器等，為直流系統(tǒng)提供可靠技術(shù)支撐。直流落點(diǎn)系統(tǒng)在電網(wǎng)中的接入方式、系統(tǒng)規(guī)模和落點(diǎn)位置均對交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定具有一定影響，通過改進(jìn)直流落點(diǎn)系統(tǒng)的接入方式，調(diào)整其規(guī)模與落點(diǎn)位置，可以在一定程度上提高交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。另外，優(yōu)化直流系統(tǒng)恢復(fù)策略，對交流系統(tǒng)功率實(shí)施支援，提升故障排除后的系統(tǒng)恢復(fù)能力，也可以對交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的改善起到一定正向作用。

3 總結(jié)

綜上所述，影響交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定情況的因素有很多，其中交流系統(tǒng)側(cè)的短路故障和直流系統(tǒng)側(cè)的永久性封鎖故障最為關(guān)鍵，它們是誘使交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)的重要原因。因此，從故障排除效率、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電力設(shè)備緊急控制，直流輸電技術(shù)、換流器更新等多方面采取措施，相信可以有效改善交直流電力系統(tǒng)的贊太穩(wěn)定性。

[1]薛振宇.交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真及其穩(wěn)定性分析與參數(shù)優(yōu)化[D].天津大學(xué)，2011.

[2]屠競哲.交直流電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與控制相關(guān)問題的研究[D].浙江大學(xué)，2012.

[3]周野.基于SGEAC法的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析與控制[D].湖南大學(xué)，2013.

[4]翁華.大規(guī)模交直流系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真和穩(wěn)定控制技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2014.

[5]徐泰山，丁茂生，彭慧敏，等.交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)安全穩(wěn)定在線緊急控制策略并行算法[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，10：174～180.

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1004-7344（2016）32-0143-02

2016-10-31