交直流電力系統暫態穩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有限責任公司 湖南長沙 410004）

交直流電力系統暫態穩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有限責任公司 湖南長沙 410004）

交直流相關知識理論與技術不僅是物理教學中的重點，是學生必須掌握的一門學科知識，而且是我國電網改擴建項目中的重要支撐，特別是直流輸電技術在大容量和遠距離傳輸中更具優越性。本文以交直流電力系統為研究核心，從暫態穩定的機理與衡量指標、暫態穩定的控制技術和改善措施幾方面對其進行研究，以期為電力系統暫態穩定的改善提供指導和借鑒。

暫態穩定；交直流電力系統；機理分析；控制

前言

當前，交流輸電和直流輸電是我國電力輸送的兩種主要方式，這兩種輸電技術的顯著優勢是電力變換傳輸與分配靈活，適應性強，經濟性高，能夠較好的滿足大容量遠距離電能傳輸需求，但缺點是容易引發大面積停電事故，加劇短路電流水平超限問題，缺乏網絡功能。而交直流電作為高中物理教學重要組成內容，從這一角度對交直流電力系統的暫態穩定問題盡心分析非常必要。

1 交直流電力系統的暫態穩定分析

1.1 交直流電力系統的暫態穩定機理

了解交直流電力系統的暫態穩定機理，既是作為高中生在物理學習中應掌握的一個重要知識點，同時也是探索出暫態穩定有效改善措施的前提條件。但不同狀態下的交直流電力系統的暫態穩定機理不同，因而我們需要針對不同情況下的交直流電力系統暫態穩定機理進行分析，主要從交流系統故障和直流系統故障兩方面來進行。交流系統在故障狀態下的暫態穩定主要是由直流系統發生永久性封鎖故障所致。一旦直流系統發生永久性封鎖故障，將會造成受端電網大量功率減小，不足以滿意系統正常運轉所需，相對的送端電網功率會大量過剩，從而引發整個交流系統內部出現大范圍的潮流轉移[1]。交流系統內部的潮流轉移既是暫時性的也是長期的，這并不矛盾，因為與直流換相失敗故障類似，交流系統在封鎖故障消除后，大范圍的潮流轉移會逐步恢復，但同時被封鎖的交流系統會中斷功率的輸送，雖然功率損失較小但卻是長期性的。

當受端電網交流系統發生短路故障時，在靠近故障點附近的直流系統逆變站會發生換相失敗故障。這一故障的發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，它會造成直流系統電流增大，直流反電壓減小，功率大幅下降，送端電網功率大量過剩，進而造成交流系統內部大范圍潮流轉移。研究表明，大范圍的潮流轉移會對聯網結構的交直流電力系統暫態穩定產生嚴重影響，使潮流大范圍的向交流輸電線路轉移，造成并列交流輸電線路暫態穩定超出極限，最終致使整個系統暫態失穩[2]。同時，發電機在這一過程中隨著其相對功角的擺開，可能會進一步加劇暫態失穩狀態。基于上面兩種情況分析不難發現，受端電網交流系統的短路故障和直流系統的永久性封鎖故障是對交直流電力系統暫態穩定影響最為顯著的兩種故障。

1.2 交直流電力系統的暫態穩定指標

對于交直流電力系統的暫態穩定評價來說，主要是評估交流系統對直流功率的接受能力，分析可能發生的暫態穩定問題，初步判定交直流電力系統的暫態穩定水平。而在這些評價指標中，強度量化指標尤為關鍵，包括單直流落點系統的強度量化指標和多直流落點系統的強度量化指標。在單直流落點系統中，直流輸電系統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強度量化指標，主要是通過對受端電網對直流系統逆變站電壓承受能力的評估來反映出直流系統的功率穩定情況和電壓穩定情況。通常兩者呈正比關系，即有效短路比越大則電壓承受能力越強[3]。在多直流落點系統中，由于各回直流系統換流站之間存在著較強的相互作用，因而由量化各換流站之間的相互耦合度所得到的耦合導納成為評價交直流電力系統的一個有效強度量化指標。一般，直流換流站間的耦合導納越大，說明耦合度就越高，但其存在著兩個臨界值，分別為強耦合臨界導納和弱耦合臨界導納。

2 改善交直流電力系統暫態穩定的具體對策

根據交直流電力系統暫態穩定的機理與評價指標分析，人們對交直流電力系統暫態穩定改善措施的研究和探索主要集中在兩方面，即交流系統的暫態穩定改善和直流系統的暫態穩定改善。

2.1 基于交流系統的改善對策

通過交流系統暫態穩定的改善來達到改善交直流電力系統的暫態穩定情況，具體應從三個方面來入手：①革新電網分區技術，改善電網結構。電網結構合理與否直接影響著整個交直流電力系統的運行情況。電力工作者應在電網建設過程中對電網結構進行合理的規劃與布設，采用先進電網分區技術，如基于故障限流器的電網動態分區技術等來對電網實施科學合理的劃分，調整區域間電網的互聯方式，調整交流系統的電源配置和局部接線方式，增設動態無功補償裝置，改善電網結構，進而改善交直流電力系統的暫態穩定情況[4]。②提高交流系統短路故障的排除效率。交流系統的短路故障是造成交直流電力系統暫態穩定失穩的主要故障之一，因而我們應重視起對故障的預防和處理，購進先進電子元器件和電力設備，改善設備工作性能，提高設備工作效率。加強對交直流電力系統的檢查和狀態監測，確保發生的故障可以被及時發現及時處理，提高交流系統短路故障的排除效率，降低短路故障對交直流電力系統的暫態穩定影響。③強化電力設備的緊急控制。在交直流電力系統的日常運行過程中，不可避免的會發生一些緊急情況，當出現緊急情況時，為了不因此而造成交直流電力系統暫態失穩，強化對交流系統電力設備的緊急控制顯得非常必要和重要，如強勵控制、切記、電氣制動、汽門等，這些設備的緊急操控都應加以一定的強化。

2.2 基于直流系統的改善對策

通過改善直流系統的暫態穩定來改善交直流電力系統的暫態穩定，結合上面分析，其應采取的措施主要有革新直流輸電技術，改善直流落點系統，優化直流系統的恢復策略和增強直流系統的調制控制與緊急功率提升控制。直流輸電技術是實現直流輸電的基礎與關鍵，它既直接影響著直流系統本身的暫態穩定，同時也影響著交直流電力系統的暫態穩定[5]。隨著電力產業的不斷發展，電力企業應積極革新直流輸電技術，加大技術創新研究力度，加快直流輸電技術改革，引入新型換流器，如電網換相換流器、電壓源換流器等，為直流系統提供可靠技術支撐。直流落點系統在電網中的接入方式、系統規模和落點位置均對交直流電力系統的暫態穩定具有一定影響，通過改進直流落點系統的接入方式，調整其規模與落點位置，可以在一定程度上提高交直流電力系統的暫態穩定性。另外，優化直流系統恢復策略，對交流系統功率實施支援，提升故障排除后的系統恢復能力，也可以對交直流電力系統暫態穩定的改善起到一定正向作用。

3 總結

綜上所述，影響交直流電力系統暫態穩定情況的因素有很多，其中交流系統側的短路故障和直流系統側的永久性封鎖故障最為關鍵，它們是誘使交直流電力系統暫態失穩的重要原因。因此，從故障排除效率、電網結構優化和電力設備緊急控制，直流輸電技術、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的贊太穩定性。

[1]薛振宇.交直流混聯電力系統暫態仿真及其穩定性分析與參數優化[D].天津大學，2011.

[2]屠競哲.交直流電力系統穩定性分析與控制相關問題的研究[D].浙江大學，2012.

[3]周野.基于SGEAC法的電力系統暫態穩定分析與控制[D].湖南大學，2013.

[4]翁華.大規模交直流系統電磁暫態仿真和穩定控制技術研究[D].浙江大學，2014.

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

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2016-10-31