多饋入交直流混聯(lián)受端電網(wǎng)直流接入能力研究評(píng)述

李兆偉，翟海保，劉福鎖，黃志龍，崔曉丹，李 威

?

多饋入交直流混聯(lián)受端電網(wǎng)直流接入能力研究評(píng)述

李兆偉1，翟海保2，劉福鎖1，黃志龍2，崔曉丹1，李 威1

(1.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211000；2.國(guó)家電網(wǎng)公司華東分部，上海 200120)

受端電網(wǎng)的直流接入能力是大規(guī)模交直流混聯(lián)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行部門越來越關(guān)注的問題。從直流多饋入交直流混聯(lián)電網(wǎng)后面臨的主要問題出發(fā)，分析了影響受端電網(wǎng)直流接入能力的主要因素，對(duì)現(xiàn)有直流及新能源接入能力研究方法進(jìn)行總結(jié)。分析了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，探討了受端電網(wǎng)直流接入能力的計(jì)算方法及未來的研究方向。受端電網(wǎng)直流接入能力是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，下一步研究重點(diǎn)是建立系統(tǒng)的優(yōu)化模型，科學(xué)化、實(shí)用化地評(píng)估受端電網(wǎng)直流接入能力。針對(duì)限制受端電網(wǎng)直流接入能力的主要因素，提出了提高電網(wǎng)直流接入能力的相關(guān)建議。

高壓直流輸電；多饋入系統(tǒng)；直流接入能力；多饋入短路比

0 引言

高壓直流(HVDC)輸電以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)已成為國(guó)內(nèi)大區(qū)互聯(lián)和遠(yuǎn)距離大容量輸電的重要形式，為我國(guó)大范圍資源優(yōu)化配置發(fā)揮了重要作用。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展建設(shè)，多回直流落點(diǎn)同一交流受端電網(wǎng)不可避免，我國(guó)南方電網(wǎng)和華東電網(wǎng)均已發(fā)展成為典型的直流多饋入受端電網(wǎng)，直流饋入容量不斷增長(zhǎng)。以華東電網(wǎng)為例，截至2014年底，共有7回直流接入，其中包括3回±800?kV的特高壓直流，直流輸送總?cè)萘窟_(dá)到3?176萬千瓦。按照規(guī)劃[1-2]，預(yù)計(jì)到2020年，華東電網(wǎng)還將新建4回特高壓直流，如此巨大的直流輸電容量下電網(wǎng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行，是電力生產(chǎn)運(yùn)行和科研單位非常關(guān)注的問題[1]。

為了更好地指導(dǎo)電網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定，必須研究解決一個(gè)關(guān)鍵問題，即如何評(píng)估受端電網(wǎng)接受直流饋入功率的能力，包括電網(wǎng)允許饋入的功率總量，應(yīng)遵循什么原則選擇直流落點(diǎn)才能有效提高受端電網(wǎng)的直流受電能力等。這些問題已經(jīng)成為大電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。影響電網(wǎng)直流受電能力的因素很多，在實(shí)際電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行中，電網(wǎng)調(diào)峰能力、直流近區(qū)潮流疏散能力、局部電網(wǎng)電壓穩(wěn)定、系統(tǒng)頻率安全、電網(wǎng)暫態(tài)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性、多直流交直流交互影響特性等等，均會(huì)對(duì)電網(wǎng)的直流接入能力造成限制[3-9]。

目前有關(guān)受端電網(wǎng)直流接入能力的研究較少，相關(guān)文獻(xiàn)多是從影響直流輸送能力的單一限制因素著手，研究分析相關(guān)限制因素影響直流送電的機(jī)理及特性，如從短路比的角度研究多直流間的交互影響特性，研究交直流混聯(lián)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的分析方法等。為了更好地探尋受端電網(wǎng)直流接入能力的研究方法，本文綜合分析了國(guó)內(nèi)外在多饋入直流接入能力方面的研究現(xiàn)狀，以及風(fēng)電等新能源接入能力方面的研究成果，旨在推動(dòng)解決受端電網(wǎng)直流接入能力計(jì)算這一實(shí)際問題。

1 ?影響受端電網(wǎng)直流接入能力的限制因素

我國(guó)華東電網(wǎng)和南方電網(wǎng)已分別形成了多直流饋入的網(wǎng)架格局，隨著西電東送工程的實(shí)施，未來將有更多直流系統(tǒng)落點(diǎn)這些地區(qū)，與國(guó)外多饋入直流系統(tǒng)相比，直流逆變站落點(diǎn)更為密集，直流功率占地區(qū)負(fù)荷比例更大。目前，電網(wǎng)中已遇到影響直流接入能力的實(shí)際問題，如電網(wǎng)低谷負(fù)荷下調(diào)峰困難、局部電網(wǎng)靜態(tài)電壓的區(qū)域負(fù)荷有功裕度[10]不足、多直流閉鎖后的系統(tǒng)頻率跌落、直流落點(diǎn)近區(qū)的潮流疏散困難、多直流同時(shí)換相失敗帶來的穩(wěn)定特性惡化，這些都是電力生產(chǎn)運(yùn)行單位在大規(guī)模直流饋入電網(wǎng)后面臨的棘手問題，下面將結(jié)合現(xiàn)有研究文獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.1 電網(wǎng)調(diào)峰約束

負(fù)荷峰谷差大是我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行長(zhǎng)期面臨的困難，直流的大量接入對(duì)于緩解電網(wǎng)高峰負(fù)荷下電力不足發(fā)揮了重要作用，顯著減少了電網(wǎng)拉閘限電次數(shù)。為響應(yīng)國(guó)家政策充分消納清潔水電能源，避免、減少直流送端電廠棄水，目前輸送水電的直流在夏季豐水期長(zhǎng)時(shí)間滿功率運(yùn)行，受端電網(wǎng)負(fù)荷低谷方式下常規(guī)機(jī)組出力限制嚴(yán)重，系統(tǒng)調(diào)峰困難。以華東電網(wǎng)為例，目前接入華東電網(wǎng)的7回直流送端配套電源全部為水電，低谷負(fù)荷方式下輸送的3176萬千瓦直流電力基本不參與電網(wǎng)調(diào)峰，電網(wǎng)調(diào)峰壓力非常大，特別是對(duì)上海等直流落點(diǎn)集中地區(qū)，單純依靠調(diào)減上海本地機(jī)組很難解決低谷負(fù)荷方式下的調(diào)峰缺口，機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在最小建議出力水平上，電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較大，需要全網(wǎng)機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰支援。隨著特高壓直流的進(jìn)一步建設(shè)，新能源及核電機(jī)組大量投產(chǎn)，華東電網(wǎng)的調(diào)峰形勢(shì)將更為嚴(yán)峻。

電網(wǎng)低谷負(fù)荷下調(diào)峰能力不足是當(dāng)前環(huán)境下限制直流接入能力的一個(gè)重要因素，建議開展直流參與電網(wǎng)調(diào)峰研究，合理建設(shè)電網(wǎng)調(diào)峰電源，采取有力措施降低電網(wǎng)峰谷差，可以顯著提高受端電網(wǎng)的直流接入能力。

1.2 受端交流電網(wǎng)強(qiáng)度約束

傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)是基于晶閘管器件建立的，其換相過程需要受端交流電網(wǎng)提供換相電壓和電流，由逆變器的工作原理可知，直流系統(tǒng)的換相電流實(shí)際上是交流系統(tǒng)的相間短路電流，要保證換相可靠，受端交流系統(tǒng)必須有足夠的容量，即受端交流系統(tǒng)必須足夠“強(qiáng)壯”。在理論研究和工程應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者為評(píng)估交流系統(tǒng)對(duì)直流系統(tǒng)的支撐能力及交直流相互影響程度，提出了一些評(píng)估方法和指標(biāo)。

針對(duì)單一直流，國(guó)外電力專業(yè)學(xué)者定義了短路比(Short Circuit Ratio, SCR)概念來衡量交流系統(tǒng)的相對(duì)強(qiáng)度[4]，其定義為被考察節(jié)點(diǎn)處的短路容量與直流系統(tǒng)額定輸送容量的比值。

為了排除換流站交流濾波器及電容器等無功補(bǔ)償設(shè)備的影響，在SCR基礎(chǔ)上，進(jìn)一步定義了有效短路比(Effective Short Circuit Ratio,?ESCR)指標(biāo)[4]。SCR和ESCR通常作為電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行控制中衡量交直流系統(tǒng)相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系的評(píng)估指標(biāo)，為了應(yīng)用上述指標(biāo)指導(dǎo)直流系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行，文獻(xiàn)[4]通過直流輸送功率特性計(jì)算臨界短路比，利用相關(guān)指標(biāo)大小對(duì)交流系統(tǒng)強(qiáng)度進(jìn)行了分級(jí)，考慮一定裕度后劃分如下：ESCR大于3，為強(qiáng)系統(tǒng)；ESCR在2~3之間，為弱系統(tǒng)；ESCR小于2，為極弱系統(tǒng)。

隨著直流輸電的快速發(fā)展，電力研究學(xué)者面臨著多回直流落點(diǎn)在同一個(gè)交流系統(tǒng)中時(shí)如何評(píng)價(jià)受端交流系統(tǒng)的“強(qiáng)壯性”，為避免結(jié)果偏于樂觀，必須考慮各回直流間的相互影響，建立直流多饋入情況下的評(píng)價(jià)指標(biāo)[11-16]。Paulo Fisher最先提出了多饋入短路比(Multi-Infeed Short Circuit Ratio, MSCR)的概念[11]，他利用直流落點(diǎn)換流站母線之間電氣距離評(píng)估多回直流的相互耦合關(guān)系，指標(biāo)的表達(dá)式為

2006年國(guó)際大電網(wǎng)組織(CIGRE)成立工作組基于Paulo Fisher對(duì)的定義，提出了多饋入相互作用因子(Multi-infeed interaction factor，MIIF)的概念，用于評(píng)估多直流饋入系統(tǒng)各換流母線電壓之間的相互作用程度，其定義為[12]：當(dāng)所考察的直流輸電系統(tǒng)以額定直流功率運(yùn)行時(shí)，在其逆變站換流母線上投入一個(gè)并聯(lián)無功負(fù)荷，使其造成該換流母線電壓約1%的階躍跌落(用表示)，計(jì)算其他逆變站換流母線電壓變化百分?jǐn)?shù)，將和的比值記為逆變站對(duì)逆變站的相互作用因子?；?，CIGRE工作組發(fā)布了多饋入短路比的定義為

同樣，與單一直流的短路比相似，在相應(yīng)直流的換流母線上考慮并聯(lián)無功補(bǔ)償?shù)挠绊?，可定義多饋入有效短路比(Multi-Infeed Effective Short Circuit Ratio, MESCR )。

文獻(xiàn)[13]通過推導(dǎo)證明了式(2)和式(3)兩種多饋入短路比公式的意義是基本一致的，通過計(jì)算多饋入臨界短路比推薦了多饋入交直流系統(tǒng)強(qiáng)弱的指標(biāo)如下：1)?極弱系統(tǒng)，MSCR<2或MESCR<1.5；2)?弱系統(tǒng)，23或MESCR>2.5。

針對(duì)同時(shí)存在整流站和逆變站的多直流饋入系統(tǒng)，文獻(xiàn)[14]指出逆變站附近的整流站有助于提高該直流逆變站的短路比，進(jìn)而提高該直流最大運(yùn)行功率，降低暫態(tài)過電壓程度，減小直流換相失敗概率。

短路比和多饋入短路比指標(biāo)為受端交流電網(wǎng)強(qiáng)度與直流接入容量搭建了聯(lián)系的橋梁，通過計(jì)算量化指標(biāo)評(píng)價(jià)交流電網(wǎng)內(nèi)直流接入方案的合理性，評(píng)價(jià)的內(nèi)容可以包括直流落點(diǎn)的位置、直流接入的容量等，當(dāng)受端電網(wǎng)中至少存在一條直流的(多饋入)短路比達(dá)到臨界值時(shí)，則系統(tǒng)中所有直流的容量之和即為交流電網(wǎng)強(qiáng)度約束下的受端電網(wǎng)直流接入能力。

1.3 受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定約束

直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，換流器需要消耗大量的無功功率，大約占直流輸送有功的40%~60%，正常運(yùn)行條件下，這些無功功率主要由交流濾波器、電容器等靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置提供，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致系統(tǒng)電壓跌落時(shí)交直流系統(tǒng)的一系列響應(yīng)會(huì)惡化受端交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性[17]。對(duì)于多饋入直流系統(tǒng)，交流系統(tǒng)的某個(gè)故障可能導(dǎo)致多個(gè)換流器相繼或同時(shí)換相失敗，使系統(tǒng)出現(xiàn)較大的功率缺額，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題將更加突出和復(fù)雜。

隨著多直流饋入受端電網(wǎng)的容量越來越大，電網(wǎng)常需配合關(guān)停相當(dāng)部分的機(jī)組，這進(jìn)一步削弱了交流系統(tǒng)的電壓支撐能力，會(huì)惡化系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。實(shí)際電網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)機(jī)組小開機(jī)惡劣方式下，局部電網(wǎng)存在靜態(tài)電壓穩(wěn)定負(fù)荷有功裕度不足的情況，已引起電力生產(chǎn)運(yùn)行單位重視。

目前，國(guó)內(nèi)外在交直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析上基本沿用了純交流系統(tǒng)的靜態(tài)分析方法[18-25]。文獻(xiàn)[21]利用電壓穩(wěn)定因子(Voltage Stability Factor，VSF)分析了受端交流系統(tǒng)的電壓/功率靜態(tài)穩(wěn)定特性。文獻(xiàn)[22]采用特征值方法分析單饋入直流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[23]將其擴(kuò)展到多饋入直流系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[24]將最大直流功率曲線法(Maximum Power Curve, MPC)推廣到多饋入直流系統(tǒng)中，針對(duì)特定的系統(tǒng)分析了各直流子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響，得到了多饋入直流最大功率曲線。文獻(xiàn)[25]將崩潰點(diǎn)法用于交直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究。上述這些方法忽略了交流和直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程，但這類分析方法計(jì)算快捷、簡(jiǎn)單、易于掌握，為克服交直流系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析法的不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于動(dòng)態(tài)最大功率曲線法、分岔理論、時(shí)域仿真、暫態(tài)能量法等對(duì)交直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定問題展開了研究。文獻(xiàn)[26]對(duì)常規(guī)直流和柔性直流共存交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定特性開展了研究分析，指出柔性直流可以改善常規(guī)直流帶來的電壓穩(wěn)定問題，其電壓支撐能力與直流輸送容量及與常規(guī)直流的電氣距離有關(guān)，為提高電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定特性，提出一種電網(wǎng)故障后的電壓調(diào)整方式，可在柔性控制系統(tǒng)的電壓外環(huán)控制中引入電壓增量成分。

需要指出，目前直流多饋入的受端交流電網(wǎng)多屬于較強(qiáng)壯的電網(wǎng)，電壓穩(wěn)定一般屬于局部問題，通過電壓穩(wěn)定分析可以對(duì)局部電網(wǎng)的直流接入能力進(jìn)行限制。

1.4 系統(tǒng)頻率跌落約束

當(dāng)直流送端系統(tǒng)與受端系統(tǒng)不在一個(gè)同步電網(wǎng)中時(shí)，必須考慮直流線路閉鎖故障對(duì)送端系統(tǒng)和受端系統(tǒng)頻率的影響。文獻(xiàn)[27]提出了將頻率偏差因子作為衡量交流系統(tǒng)接納直流能力的頻率強(qiáng)度指標(biāo)，頻率偏差因子越大，表示系統(tǒng)的頻率支撐能力越強(qiáng)。

交流系統(tǒng)保持頻率的能力取決于這個(gè)交流系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為有滿意的性能，交流系統(tǒng)必須有一個(gè)相對(duì)于直流系統(tǒng)規(guī)模的最小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。文獻(xiàn)[4]提出用有效直流慣性常數(shù)作為相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的衡量，其定義如下：

為使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，要求有效慣性常數(shù)至少為2~3?s。究其實(shí)質(zhì)，指標(biāo)的意義在于(全部直流功率損失后)避免頻率跌落超過5%。

頻率是系統(tǒng)性的指標(biāo)，按系統(tǒng)頻率指標(biāo)約束可以給出全網(wǎng)接納直流能力，但考慮所有直流功率同時(shí)損失超出現(xiàn)有導(dǎo)則的故障考核標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)指標(biāo)還存在繼續(xù)深入探討的空間。

1.5 多直流換相失敗約束

換相失敗是逆變器的常見故障，其根本原因是逆變側(cè)的換流閥承受反向電壓的時(shí)間小于去游離、恢復(fù)阻斷能力所需的時(shí)間，使得本應(yīng)從導(dǎo)通進(jìn)入截至狀態(tài)的換流閥重新導(dǎo)通。引發(fā)換相失敗的因素很多，電力系統(tǒng)研究學(xué)者主要關(guān)注交流故障造成的直流換相失敗。已有的研究表明，在直流多饋入系統(tǒng)中，發(fā)生交流系統(tǒng)故障可能造成多回直流同時(shí)換相失敗，實(shí)際系統(tǒng)中也多次發(fā)生交流故障造成多回直流同時(shí)換相失敗的事故[28-31]。

多直流換相失敗的預(yù)測(cè)多依賴于時(shí)域仿真，文獻(xiàn)[32]提出了換相失敗免疫因子(CFII, Commutation Failure Immunity Index)來評(píng)估直流單饋入以及多饋入系統(tǒng)對(duì)換相失敗的靈敏度。換相失敗免疫因子的計(jì)算需要通過電磁仿真，且所需的計(jì)算時(shí)間也比較長(zhǎng)，文獻(xiàn)[33]在此基礎(chǔ)上提出了一種快速的CFII計(jì)算方法，該方法可以應(yīng)用于不同短路比的單饋入系統(tǒng)和多饋入系統(tǒng)。文獻(xiàn)[34]則提出一種臨界多饋入影響因子分析直流換相失敗可能性的方法。

當(dāng)直流送端系統(tǒng)與受端系統(tǒng)不在一個(gè)同步電網(wǎng)中時(shí)，由于目前多直流饋入的交流受端電網(wǎng)通常較強(qiáng)，發(fā)生多回直流同時(shí)換相失敗后直流功率僅短時(shí)損失，交流故障消除后直流功率均可快速恢復(fù)，一般不會(huì)造成受端電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞。但若直流接入規(guī)模進(jìn)一步增大，需滾動(dòng)校核多直流同時(shí)換相失敗對(duì)受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響。

當(dāng)直流送端系統(tǒng)與受端系統(tǒng)在同一個(gè)同步電網(wǎng)中時(shí)，由于存在交直流并聯(lián)運(yùn)行通道，直流換相失敗后，潮流會(huì)通過交流通道進(jìn)行轉(zhuǎn)移，研究發(fā)現(xiàn)，直流長(zhǎng)時(shí)間換相失敗后可能會(huì)引起交流系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定問題。多直流同時(shí)換相失敗的影響可以作為受端電網(wǎng)直流接入能力的校核因素之一。

為應(yīng)對(duì)這種新的故障沖擊形式，一方面大量電力系統(tǒng)專家從預(yù)防直流換相失敗開展了相應(yīng)的工作[35-37]，文獻(xiàn)[35]提出一種基于逆變器換相失敗預(yù)測(cè)控制環(huán)節(jié)的直流電流設(shè)置方法以提高換相失敗控制環(huán)節(jié)的有效性，進(jìn)而抑制直流發(fā)生換相失敗。文獻(xiàn)[36]則提出一種基于故障限流器的電網(wǎng)動(dòng)態(tài)分區(qū)技術(shù)，通過分區(qū)阻礙電網(wǎng)故障傳播，降低直流換相失敗概率，提高直流恢復(fù)速度。文獻(xiàn)[37]進(jìn)一步提出直流分區(qū)的概念，利用直流異步聯(lián)網(wǎng)阻隔故障傳播。另一方面則從直流換相失敗后的電網(wǎng)穩(wěn)定控制角度開展研究，直流發(fā)生換相失敗后觸發(fā)穩(wěn)定控制切機(jī)已成功應(yīng)用到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)專家正在研究直流多次連續(xù)換相失敗后閉鎖直流的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以應(yīng)對(duì)多回直流同時(shí)換相失敗可能給直流送端和受端帶來的暫態(tài)穩(wěn)定問題，這與目前直流系統(tǒng)配置的換相失敗保護(hù)策略相比有較大不同：目前天廣直流配置的換相失敗保護(hù)的動(dòng)作原理為，保護(hù)在3.5s檢測(cè)到150次換相失敗時(shí)請(qǐng)求控制系統(tǒng)切換，保護(hù)在3.5 s檢測(cè)到260次換相失敗則動(dòng)作閉鎖直流。對(duì)受端電網(wǎng)來說，直流同時(shí)閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)變大，受端系統(tǒng)的頻率和電壓安全更為嚴(yán)峻，亟需研究受端電網(wǎng)直流接入能力。

2 ?電網(wǎng)直流接入能力的計(jì)算方法

目前，受端電網(wǎng)直流接入能力的研究較少，在實(shí)際工作中，通常由規(guī)劃設(shè)計(jì)人員根據(jù)送受電需求并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，首先以測(cè)試的方式確定出直流饋入數(shù)量和每條直流的輸電容量，在此基礎(chǔ)上，制定有限數(shù)量的多直流落點(diǎn)方案，再經(jīng)過反復(fù)的安全穩(wěn)定計(jì)算分析，對(duì)不同多直流落點(diǎn)方案比較并確定出滿足安全性要求的直流落點(diǎn)方案，通過反復(fù)調(diào)整直流落點(diǎn)和每條直流的輸電容量，最終統(tǒng)計(jì)出電網(wǎng)的直流受電規(guī)模。

受端電網(wǎng)多饋入直流后，由于直流之間的相互影響，會(huì)導(dǎo)致原單條直流的短路比下降，當(dāng)多饋入短路比下降至一定程度后會(huì)影響直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行，進(jìn)而對(duì)交流受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。理論上，按照短路比的定義及對(duì)交直流系統(tǒng)強(qiáng)弱的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)短路比和多饋入短路比指標(biāo)，不斷增加直流接入容量，給出了各直流的接入容量最大值，進(jìn)而給出受端電網(wǎng)直流接入能力，但實(shí)際上直流系統(tǒng)的接入容量要受到直流系統(tǒng)的電壓等級(jí)、輸送距離及設(shè)備制造能力的限制，一味增大與實(shí)際不符。另一方面，受端交流電網(wǎng)強(qiáng)度除了與直流輸送容量有關(guān)，還與直流落點(diǎn)處的短路容量相關(guān)，僅在現(xiàn)有直流落點(diǎn)增加直流容量，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算給出的直流接入能力偏保守，因此計(jì)算受端電網(wǎng)直流接入能力時(shí)應(yīng)考慮綜合直流合理的輸送容量及直流落點(diǎn)的優(yōu)化選擇。

電網(wǎng)低谷負(fù)荷方式下調(diào)峰能力不足是近年來我國(guó)直流多饋入電網(wǎng)面臨的主要困難，究其根本是由豐水期直流不參與電網(wǎng)調(diào)峰造成的。調(diào)峰約束下的直流接入能力計(jì)算模型較為常規(guī)，確定低谷負(fù)荷、峰谷差、系統(tǒng)強(qiáng)迫出力、電網(wǎng)調(diào)峰能力等邊界條件后即可給出。此外，受端電網(wǎng)直流接入能力還需要考慮系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、頻率安全、暫態(tài)穩(wěn)定等約束。

文獻(xiàn)[38]提出一種綜合多直流落點(diǎn)地區(qū)交流系統(tǒng)直流最大受電規(guī)模的計(jì)算方法，其核心為通過短路電流計(jì)算確定若干個(gè)備選直流落點(diǎn)方案，然后根據(jù)不同方案下多饋入短路比進(jìn)行直流落點(diǎn)方案優(yōu)選，增加新增直流的容量直至多饋入短路比達(dá)到臨界值，進(jìn)行安全穩(wěn)定校核，滿足安全穩(wěn)定約束的直流接入規(guī)模作為電網(wǎng)的最大饋入規(guī)模。該方法考慮直流落點(diǎn)方案的影響，在滿足相關(guān)約束的前提下增加新增直流容量直至達(dá)到短路比臨界值，可以給出短路比指標(biāo)約束下受端電力直流接入能力，但考慮因素還不夠全面，給出的結(jié)果可能偏樂觀。文獻(xiàn)[39]從直流多饋入短路比出發(fā)，分析了影響直流受入規(guī)模的主要因素，考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化、直流落點(diǎn)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償配置優(yōu)化，采用啟發(fā)式規(guī)劃算法求取最大直流受入規(guī)模，該方法在增加直流接入時(shí)是基于固定網(wǎng)架考慮一些優(yōu)化措施，并未考慮電網(wǎng)自身的發(fā)展變化，計(jì)算得到的結(jié)果可能與實(shí)際存在較大偏差。

研究電網(wǎng)接納新能源能力與電網(wǎng)接納直流的能力有相似之處[40-43]，風(fēng)電接納能力主要有兩個(gè)大的研究方向，一是從調(diào)峰約束角度給出全網(wǎng)最大的風(fēng)電接納能力，二是根據(jù)最優(yōu)潮流給出各個(gè)風(fēng)場(chǎng)的接入容量，進(jìn)而給出全網(wǎng)的風(fēng)電接入總量。文獻(xiàn)[42]提出一套基于系統(tǒng)備用需求容量和調(diào)峰能力約束的風(fēng)電接納能力評(píng)估體系，通過對(duì)電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性及火電機(jī)組調(diào)峰能力的全面分析，綜合考慮系統(tǒng)中自備容量、抽水蓄能電站和聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃的影響，評(píng)估電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力。文獻(xiàn)[43]從系統(tǒng)最優(yōu)潮流入手，建立了電網(wǎng)風(fēng)電接入能力的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，考慮的約束包括無功補(bǔ)償約束、線路熱穩(wěn)約束及輸電斷面潮流約束。風(fēng)電接納能力有其自身特點(diǎn)，考慮的約束因素并未超出上節(jié)中歸納的內(nèi)容。

總而言之，目前的相關(guān)研究多是從直流接入后帶來的問題著手，解決的是某個(gè)確定落點(diǎn)方案下接入一定容量直流可不可行，或某幾個(gè)待定方案中哪個(gè)方案較優(yōu)的問題，要解決某個(gè)交流網(wǎng)架下最多能接納多少直流是非常困難的問題。

3 ?總結(jié)與展望

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷發(fā)展，受端電網(wǎng)饋入直流的容量越來越大，直流在為電網(wǎng)輸送電力、緩解用電緊張的同時(shí)，也給電網(wǎng)運(yùn)行控制帶來了新的挑戰(zhàn)。電力生產(chǎn)運(yùn)行單位越來越關(guān)注電網(wǎng)最大能接納直流的能力有多大，電網(wǎng)接納多大容量直流運(yùn)行較為經(jīng)濟(jì)。綜合來講，受端電網(wǎng)直流接入能力要受到很多因素約束，諸如系統(tǒng)調(diào)峰能力、受端電網(wǎng)強(qiáng)度、電壓穩(wěn)定、頻率安全、暫態(tài)穩(wěn)定等。對(duì)于供電能力不足的受端電網(wǎng)，應(yīng)能分析出影響直流接入能力的主要限制因素，通過合理規(guī)劃直流落點(diǎn)，優(yōu)化運(yùn)行方式安排，強(qiáng)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，拓展直流輔助服務(wù)等合理措施提高電網(wǎng)接入直流的能力。另一方面，充分認(rèn)識(shí)直流接入對(duì)電網(wǎng)造成的影響，合理規(guī)劃，減少直流盲目建設(shè)，提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，降低系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

受端電網(wǎng)直流接入能力評(píng)估是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，目前學(xué)術(shù)界還沒有全面、合適的計(jì)算方法，下一步應(yīng)深入探索影響直流接入能力的約束條件，建立系統(tǒng)的優(yōu)化模型，科學(xué)化、實(shí)用化地評(píng)估電網(wǎng)直流接入能力。

[1] 覃琴, 郭強(qiáng), 周勤勇, 等. 國(guó)網(wǎng)“十三五”規(guī)劃電網(wǎng)面臨的安全穩(wěn)定問題及對(duì)策[J]. 中國(guó)電力, 2015, 48(1): 25-32.

QIN Qin, GUO Qiang, ZHOU Qinyong, et al. The security and stability of power girds in 13th Five-Year Planning and countermeasures[J]. Electric Power, 2015, 48(1): 25-32.

[2] 白建華, 閆曉卿, 程路. “十三五”電力流及電源規(guī)劃方案研究[J]. 中國(guó)電力, 2015, 48(1): 15-20.

BAI Jianhua, YAN Xiaoqing, CHENG Lu. Research on power flow and power source installation planning scheme during the 13th Five-Year period[J]. Electric Power, 2015, 48(1): 15-20.

[3] KUNDUR P. Power system stability and control[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2002.

[4] KRISHAYYA P C S, ADAPA R, HOLM M, et al. IEEE guide for planning DC links terminating at AC locations having low short-circuit capacities, part I: AC/DC system interaction phenomena[R]. France: CIGRE, 1997.

[5] 徐政. 交直流電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為分析[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[6] 盧睿, 潘武略, 李曉坷, 等. 多饋入直流對(duì)華東電網(wǎng)穩(wěn)定性影響研究[J]. 華東電力, 2005, 33(11): 3-8.

LU Rui, PAN Wulüe, LI Xiaoke, et al. Impacts of multi- infeed HVDC on East China Power Grid stability[J]. East China Electric Power, 2005, 33(11): 3-8.

[7] 徐政. 聯(lián)于弱交流系統(tǒng)的直流輸電特性研究之一—直流輸電的輸送能力[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 1997, 21(1): 12-16.

XU Zheng. Characteristics of HVDC connected to wake AC systems PRAT1: HVDC transmission capability[J]. Power System Technology, 1997, 21(1): 12-16.

[8] HE Jingbo, LI Mingjie, YI Jun, et al. Research on dynamic characteristics and countermeasures of AC-DC hybrid power system with large scale HVDC transmission[C] // 2014 International Conference on Power System Technology, Chengdu, China, December 18, 2014.

[9] PALONE F, MARZINOTTO M, REBOLINI M, et al. Impact of renewable generation on commutation failures in multi-infeed HVDC systems: a real case study[C] // 11th IET International Conference on AC and DC Power Transmission, Birmingham, United Kingdom, 2015.

[10]孫士云, 束洪春, 于繼來. 單相重合時(shí)序?qū)μ馗邏航恢绷鞑⒙?lián)系統(tǒng)暫穩(wěn)影響的機(jī)理分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(10): 106-113.

SUN Shiyun, SHU Hongchun, YU Jilai. Mechanism analysis of single-phase reclosure sequence's influence on ultra-high voltage AC/DC parallel system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(10): 106-113.

[11] DLT1172-2013電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定評(píng)價(jià)導(dǎo)則[S]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2013.

DLT1172-2013 the guide of power system voltage stability evaluation[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2013.

[12] PAULO P D T, BENT B, GUNNAR A. Multiple infeed short circuit ratio: aspects related to multiple HVDC into one AC network[C] // Transmission and Distribution Conference & Exhibition: Asia and Pacific, 2005 IEEE/PES, Dalian, China, 2005.

[13] CIGRE Working Group B4.41. System with multiple DC infeed[R]. GIGRE, 2008.

[14] 林偉芳, 湯涌, 卜廣全. 多饋入交直流系統(tǒng)短路比的定義和應(yīng)用[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2008, 28(31): 1-8.

LIN Weifang, TANG Yong, BU Guangquan. Definition and application of short circuit ratio for multi-infeed AD/DC power systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(31): 1-8.

[15] CHEN Xiuyu, GOLE A M, HAN Minxiao. Analysis of mixed inverter-rectifier multi-infeed HVDC systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2012, 27(3): 1565-1573.

[16] LIU Dengfeng, SHI Dongyuan, LI Yinhong. A new definition of short-circuit ratio for multi-converter HVDC systems[J]. Journal of Electrical Engineering and Technology, 2015, 10(5): 1958-1968.

[17] 邵瑤, 湯涌. 多饋入直流系統(tǒng)交互作用因子的影響因素分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(3): 794-799.

SHAO Yao, TANG Yong. Analysis of influencing factors of multi-infeed HVDC system interaction factor[J]. Power System Technology, 2013, 37(3): 794-799.

[18] ZHANG Yaoxuan, DU Zhaobin. Analysis of dynamic reactive power demand characteristics of inverter stations of multi-infeed HVDC[C] // Proceedings of 2013 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference, Singapore, 2013: 1-5.

[19] 徐政. 聯(lián)于弱交流系統(tǒng)的直流輸電特性研究之二—控制方式與電壓穩(wěn)定性[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 1997, 21(3): 1-9.

XU Zheng. Characteristics of HVDC systems to wake AC systems partⅡ: control modes and voltage stability[J]. Power System Technology, 1997, 21(3): 1-9.

[20] 劉明波, 程勁暉, 程瑩. 交直流并聯(lián)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 1999, 23(16): 27-44.

LIU Mingbo, CHENG Jinhui, CHENG Ying. Dynamic voltage stability analysis of parallel AC/DC power systems[J]. Automation of Electric Power Systems, 1999, 23(16): 27-44.

[21] DENIS L H A, ANDERSSON G. Voltage stability analysis of multi-infeed HVDC system[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1997, 12(3): 1309-1318.

[22] 林偉芳, 湯涌,卜廣全. 多饋入交直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(11): 7-12.

LIN Weifang, TANG Yong, BU Guangquan. Study on voltage stability of multi-infeed HVDC power transmission system[J]. Power System Technology, 2008, 32(11): 7-12.

[23] 李興源, 趙睿, 劉天琪, 等. 傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(10): 288-300.

LI Xingyuan, ZHAO Rui, LIU Tianqi, et al. Research of conventional high voltage direct current transmission system stability analysis and control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(10): 288-300.

[24] 周瑋, 姜汀, 胡姝博, 等. 基于兩點(diǎn)估計(jì)法的交直流混合系統(tǒng)電壓穩(wěn)定概率評(píng)估[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(5): 8-13.

ZHOU Wei, JIANG Ting, HU Shubo, et al. Probabilistic assessment on voltage stability of AC/DC hybrid systems based on two-point estimate method[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(5): 8-13.

[25] 姜臻, 苗世洪, 尚亞男, 等. 基于電壓崩潰指數(shù)的極限傳輸容量實(shí)用計(jì)算方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(10): 213-221.

JIANG Zhen, MIAO Shihong, SHANG Yanan, et al. Voltage collapse indices based method for practical computation of total transfer capability[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(10): 213-221.

[26] LIU Yan, CHEN Zhe. Transient voltage stability analysis and improvement of a network with different HVDC systems[C] // IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2011.

[27] 徐政, 黃弘揚(yáng), 周煜智. 描述交直流并列系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)品質(zhì)的3 種宏觀指標(biāo)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(4): 1-7.

XU Zheng, HUANG Hongyang, ZHOU Yuzhi. Three macroscopic indexes for describing the quality of AC/DC hybrid power grid structures[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(4): 1-7.

[28] 王晶, 梁志峰, 江木, 等.多饋入直流同時(shí)換相失敗案例分析及仿真計(jì)算[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2015, 39(4): 141-146.

WANG Jing, LIANG Zhifeng, JIANG Mu, et al. Case analysis and simulation of commutation failure in multi- infeed transmission systems[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(4): 141-146.

[29] 王海軍, 黃義隆, 周全. 高壓直流輸電換相失敗響應(yīng)策略與預(yù)測(cè)控制技術(shù)路線分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(21): 124-131.

WANG Haijun, HUANG Yilong, ZHOU Quan. Analysis of commutation failure response strategies and prediction control technology in HVDC[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(21): 124-131.

[30] 夏成軍, 楊仲超, 周保榮, 等. 考慮負(fù)荷模型的多回直流同時(shí)換相失敗分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(9): 76-81.

XIA Chengjun, YANG Zhongchao, ZHOU Baorong, et al. Analysis of commutation failure in multi-infeed HVDC system under different load models[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(9): 76-81.

[31] LI Hongwei, PENG Ganrong. Simulation study on anomalous commutation failure in multi-infeed HVDC systems[C] // 2nd International Conference on Advances in Energy and Environmental Science, 2014.

[32] RAHIMI E, GOLE A M, DAVIES J B, et al. Commutation failure analysis in multi-infeed HVDC systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(3): 378-384.

[33] CHEN X, GOLE A M, GUO C. A fast calculation method for the local commutation failure immunity indices in single-and multi-infeed HVDC systems[C] // AC and DC Power Transmission, 11th IET International Conference on. IET, 2015: 1-6.

[34] XIA Chengjun, SUO Minggui, XI Liang. Analysis on commutation failure caused by AC faults in multi-infeed HVDC systems[C] // Power Engineering and Automation Conference, 2012: 1-4.

[35] WEI Zhinong, YUAN Yang, LEI Xiao. Direct-current predictive control strategy for inhibiting commutation failure in HVDC converter[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2014, 29(5): 2409-2415.

[36] HUANG Hongyang, XU Zheng, LIN Xi. Improving performance of multi-infeed HVDC systems using grid dynamic segmentation technique based on fault current limiters[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2012, 27(3): 1664-1672.

[37] CHENG Binjie, XU Zheng, XU Wei. Optimal DC- segmentation for multi-infeed HVDC systems based on stability performance[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2015, 30(3): 2409-2415.

[38] 郭小江. 多直流饋入系統(tǒng)特性及其評(píng)估方法研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2013.

[39] 周勤勇, 劉玉田, 湯涌. 受端電網(wǎng)最大直流受入規(guī)模分析方法[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(3): 770-777.

ZHOU Qinyong, LIU Yutian, TANG Yong. Analysis method for the maximum HVDCs’ capacity to receiving- end power grid[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(3): 770-777.

[40] 楊宏, 苑津莎, 吳立增. 基于風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的電網(wǎng)靜態(tài)調(diào)峰能力極限研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(4): 266-273.

YANG Hong, YUAN Jinsha, WU Lizeng. Research of static regulation capacity limit based on wind power prediction[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(4): 266-273.

[41] 張濤, 李家玨, 張延峰, 等. 計(jì)及電網(wǎng)調(diào)峰約束的風(fēng)電接納調(diào)度方法研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(21): 74-80.

ZHANG Tao, LI Jiajue, ZHANG Yanfeng, et al. Research of scheduling method for the wind power acceptance considering peak regulation[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(21): 74-80.

[42] 孫榮富, 張濤, 梁吉. 電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的評(píng)估與應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2011, 35(4): 70-76.

SUN Rongfu, ZHANG Tao, LIANG Ji. Evaluation and application of wind power integration capacity in power grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(4): 70-76.

[43] 孫保功, 葉鵬, 邵廣惠, 等. 基于非線性內(nèi)點(diǎn)方法的風(fēng)電接入能力研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(10): 23-28.

SUN Baogong, YE Peng, SHAO Guanghui, et al. Wind power penetration limit assessment based on nonlinear interior point algorithm[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(10): 23-28.

(編輯 姜新麗)

DC access capability study for multi-infeed HVDC power transmission system

LI Zhaowei1, ZHAI Haibao2, LIU Fusuo1, HUANG Zhilong2, CUI Xiaodan1, LI Wei1

(1. NARI Group Corporation, Nanjing 211000, China; 2. East Subsection of State Grid Corporation of China, Shanghai 200120, China)

DC access capability for multi-infeed HVDC power transmission system is an important issue which gets power companies concerned greatly. From the problems caused by large scale multi-infeed HVDC, the main limiting factors of DC access capability are analyzed and the current researches on DC and new energy access capability are summarized. Based on these the calculation method and the next research directions of DC access capability are discussed. DC access capability is a multi objective optimization problem, and the next key study is to build the system optimal model to evaluate the DC access capability of multi-infeed HVDC power transmission system. For the main limiting factors the suggestions to improve DC access capability and optimize the layout of multi-infeed HVDC are proposed.

HVDC power transmission; multi-infeed system; DC access capability; multi-infeed short circuit ratio

10.7667/PSPC150691

2015-06-24；

2015-12-25

李兆偉(1985-)，碩士，工程師，研究方向電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制；E-mail: lizhaowei1@sgepri.sgcc.com.cn

翟海保(1978-)，博士，高級(jí)工程師，研究方向電力系統(tǒng)調(diào)度、運(yùn)行、控制與管理；E-mail: zhai_hb@ec.sgcc.com.cn

劉福鎖(1981-)，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制。E-mail:?liufusuo@sgepri. sgcc.com.cn

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“特高壓直流連續(xù)換相失敗、再啟動(dòng)工況下安全穩(wěn)定控制技術(shù)研究”