柔性直流輸電系統風險評估研究

摘要：柔性直流輸電系統作為一種新興的輸電方式具有其特殊的優勢，由于其發展起步較晚，關于其運行風險的相關研究尚處于空白階段。本文提出柔性直流輸電系統風險評估課題，通過介紹柔性直流輸電系統、建立風險評估目標，闡述了柔性直流輸電系統風險評估平臺建立、模型設計及運行仿真、系統可靠性運行分析以及風險評估體系建立的相關內容及研究思路，可為今后開展這一課題的相關研究起到一定的指導作用。

關鍵詞：柔性直流輸電系統 風險評估 可靠性 經濟效益

0 引言

電力作為國民經濟的基礎產業，對經濟社會發展和人民生活起著重要的支撐和保障作用。建設和發展互聯電力系統為更好地綜合利用分散的各種能源、減少系統的裝機容量和投資，增強系統中各部分間的相互支援能力開辟了新的途徑，對提高電力系統運行的安全性與可靠性、建立一個開放的電力市場具有重要的戰略意義。區域間的電網互聯已經成為當前電力系統發展的總趨勢之一。

目前，電力系統互聯方式主要通過交流系統間的并聯來實現，隨著用電領域和地域不斷擴大，電網規模迅速膨脹，一些交流輸電難以跨越的技術問題如遠距離大功率輸電、非同步聯絡等問題也就隨之而來。

高壓直流輸電系統（HVDC system）因能夠解決上述技術問題而得到了廣泛應用。自1954年世界上第一條商業化高壓直流輸電線路誕生于瑞典以來，伴隨著以晶閘管為代表的電力電子器件的發展，高壓直流輸電系統已經向大容量、輕型化方向發展。

1 柔性直流輸電系統

傳統的高壓直流輸電系統中的晶閘管閥屬于半控型器件，沒有自關斷電流的能力，且開關頻率較低，其正常運行需要受電端必須有一個相當大容量的電力系統來提供足夠的換相電流，因此，使得其換流性能受到很大的約束。

隨著電力電子器件和控制技術的發展，全控型電力電子器件絕緣柵雙極晶體管（IGBT）已應用于高壓直流輸電系統中，稱之為柔性高壓直流輸電系統（HVDC-Light）。柔性直流輸電系統克服了傳統直流輸電系統中的換相失敗，必須連接于有源網絡的弱點，且具有運行控制方式靈活多變，減弱系統諧波，有效提高系統電能質量的優點。

柔性直流輸電系統工程自投入工業試驗運行以來僅有14年的歷史，但已得到了長足的發展。截至2010年底，全世界共裝設柔性直流輸電工程約250萬千瓦，輸電線路長度累計2000公里，其中2010年建設容量約50萬千瓦，增長率為25%。根據目前的發展速度估計，到2020年，全世界柔性直流輸電工程總容量將接近1000萬千瓦，屆時將成為一種重要輸電方式。我國第一個20MW柔性直流輸電工程——上海南匯風電場柔性直流輸電工程也已于2011年5月3日投入試運行，標志著我國柔性直流輸電系統已發展到一個嶄新的階段。

目前，由于自然資源的相對豐富，我國東北地區火電機組裝機容量過剩，并已經形成“窩電”現象，造成了資源不必要的浪費。因此，“北電南送”已經成為我國輸電建設的又一戰略構想。柔性直流輸電系統為實現這一構想帶來了契機，通過其強大的可控性可將東北富余的電能送到用戶負荷增長較快的華北、甚至南方地區。

直流輸電技術逐漸從根本上改變了人們對傳統輸電方式觀念的同時，由于其起步較晚，相關理論技術支撐不足，依然將面臨著前所未有的巨大挑戰。例如2006年5月24日發生的貴廣直流輸電系統肇慶換流站發生的由于交直流功率偏差過大而發生的雙極跳閘事故；2009年6月云廣±800kV直流輸電工程出現直流量測量通道故障等，都是直流輸電工程投入所帶來的新問題。柔性直流輸電系統的技術特點較常規直流輸電系統更為復雜，其所面臨的問題也就將更多。

柔性直流輸電系統由換流站、交流系統和直流輸電線路三部分構成，如圖1所示，設備相對復雜，任何一部分發生故障，都有可能危及整個系統的安全運行。此外，柔性直流輸電系統由主電路和控制器共同完成功能的實現，二者協同完成高壓直流電能的傳輸，所以在研究過程必須綜合考慮二者的性能。

2 柔性直流輸電系統風險評估研究目標

通過研究柔性直流輸電系統的電能變換、傳輸原理及其電能控制技術，搭建一套柔性直流輸電系統仿真模型，實現其風險評估中模擬故障的發生。通過調研，總結系統故障發生的概率模型，結合制定的風險評估指標，在充分辨識柔性直流輸電系統現場所存在的危險因素和事故隱患的情況下，對柔性直流輸電系統進行風險評估，解決其中各參數靈敏度對風險度影響的大小的判定方法。對風險控制方法的經濟效益進行評價，以解決風險控制方法優化選取的問題，促進本文提出的柔性直流輸電系統風險評估技術能夠得到大規模的利用。

3 柔性直流輸電系統風險評估研究內容

3.1 柔性直流輸電系統風險評估平臺

構建如圖2所示的柔性直流輸電系統風險評估平臺示意圖，主要包括仿真系統的建立、風險評估體系建立、風險評估經濟效益分析三大部分構成，其中風險評估體系建立又包括安全性評估體系建立和可靠性運行分析兩個子功能塊。

3.2 柔性直流輸電系統模型設計及其運行仿真的實現

在我國，柔性直流輸電系統作為一種新興的輸電方式，存在理論技術薄弱、運行數據缺乏等問題。因此，擬采用計算機仿真工具，將柔性直流輸電系統模型復現到計算機上，使其能夠按照研究者的意志模擬出各種故障類型，為后續的風險評估工作奠定基礎。

前文已經提到，柔性直流輸電系統由換流站、交流系統和直流輸電線路三大部分組成。三大部分又各自包含其主電路及控制器，因此，可從系統的功率傳輸能力、電壓穩定性、諧波抑制能力等指標來設計一套柔性直流輸電系統，并在電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC上搭建與調試。

3.3 基于模擬故障法的柔性直流輸電系統可靠性運行分析

在對柔性直流系統有關標準、文獻和現場充分調研的前提下，首先確定柔性直流輸電系統可靠性評估指標，如各部分過電壓指標、過電流指標等等。在調試成功的仿真模型上，設定某個故障工況，通過仿真結果來分析故障機理，探究給定故障工況對系統各部分之間影響的內在聯系。

在研究過程中，提出了柔性直流輸電系統可靠性分析中參數靈敏度的概念。參數靈敏度概念的提出旨在探究系統各個參數變化的程度對整個柔性直流輸電系統可靠性的影響。將靈敏度由高至低排序，為運行人員對其更有針對性的控制提供依據。

3.4 柔性直流輸電系統風險評估體系的建立

風險評估體系由可靠性評估體系和安全性評估體系兩大部分構成。安全性評估主要針對于能夠對人身和設備造成損傷的事件，稱為危險有害因素或事故隱患。課題將結合柔性直流輸電系統的特點，對其所含設備包括換流站、變壓器、輸電線路等的危險因素進行充分辨識，分析其可能產生的對人身和設備帶來的傷害。

結合國家標準、行業規范及系統的實際情況，制定柔性直流輸電系統安全性評估指標，并與本項目的可靠性評估分析一起，建立系統整體的風險評估指標。根據風險度的概念，風險度由事故發生概率及其嚴重程度成正比。事故的嚴重程度可分別由仿真運行及專家分析得出；發生概率可由相關文獻及現場數據的調研中得到。

此外，還考慮到我國現代企業進行職業健康安全管理體系認證的需要。對柔性直流輸電系統中的換流站進行職業健康分析與評價，這將有助于我國企業與國際的接軌。

3.5 柔性直流輸電系統風險控制方法的經濟效益評價

研究過程中可針對系統中的危險有害因素提出相應的風險控制方法，從傳輸單位電能造成的人員傷亡數量、設備維修費用和對電網傳輸功率的影響等三方面，結合當前的設備定價、電力系統傳輸電量定價，對本課題中提出的風險控制方法進行定量的經濟效益評價。

4 結語

本文提出了柔性直流輸電系統風險評估課題，闡述了評估目標以及風險評估體系建立的思路，可為今后相關課題的研究提供一定的借鑒意義。

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作者簡介：

王雪杰（1985-），女，就職于沈陽工程學院。