交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的思考

摘 要：交直流電力系統(tǒng)當中的直流換流器往往需要消耗較大的無功功率，在系統(tǒng)遭遇較大干擾后，系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性將難以保證?；诖?，本文總結東莞供電局橋頭供電分局長久以來的工作經驗，就交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性展開分析，提出了預防交直流電力系統(tǒng)中暫態(tài)電壓失穩(wěn)事故的相關措施，意在提升交直流電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性與安全性。

關鍵詞：交直流電力系統(tǒng)；暫態(tài)電壓；失穩(wěn)

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）17-0088-02

前 言

在交直流電力系統(tǒng)運行過程中，為保證整個電網的運行質量，還需重點考慮相關暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的相關問題。總結實踐經驗后發(fā)現，交直流電力系統(tǒng)當中的直流換流器消耗的無功功率，約在直流有功功率的50～60%之間，這對保持交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓的穩(wěn)定性，尤其對連接在直流系統(tǒng)上的若交流系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性很難得到有效保障。因此，探究交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，能夠為解決相關問題，提供可靠的解決思路。

1 交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響因素

總結多年來的工作經驗能夠明確一點內容，即離散控制行為與負荷特性，在各類電壓崩潰事故當中，都起到了重要的影響作用，從實際交直流電力系統(tǒng)的角度出發(fā)，綜合分析影響電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的相關因素，主要包括以下幾個方面：

（1）交直流電力系統(tǒng)當中，隨著負荷母線電壓的降低，負荷將從電流系統(tǒng)當中吸收較多的無功功率，這導致系統(tǒng)的區(qū)域無功平衡狀態(tài)將會得到明顯惡化，進而形成電壓下降的正反饋機制。與此同時，根據電力系統(tǒng)的自動平衡機制，動態(tài)負荷為達到輸入或輸出有功功率的平衡，將作出相應的調整，這一調整過程，極有可能造成暫態(tài)電壓失穩(wěn)。

（2）交直流電力系統(tǒng)當中的發(fā)電機具有較大的無功需求，為滿足其需求，必然需要增加發(fā)電機勵磁；當發(fā)電機長期處于強勵狀態(tài)下，在勵磁繞組容量限制的作用下，會發(fā)生勵磁突然降低的狀況，此時，整個電力系統(tǒng)當中的無功將處于大量短缺的狀態(tài)，暫態(tài)電壓也隨之失穩(wěn)。

（3）交直流電力系統(tǒng)當中的靜止無功補償器（SVC），可通過動態(tài)調節(jié)來保持電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性；可一旦SVC達到了容量限制，其本身具有的無功調節(jié)功能將隨之喪失。另外，在HVDC系統(tǒng)當中，當遭遇直流雙極閉鎖等問題時，會造成潮流大量轉移，導致交流系統(tǒng)的暫態(tài)電壓失穩(wěn)；若在多饋入交直流電力系統(tǒng)當中，這一現象將更為明顯。

2 交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性分析

對交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性進行分析，應事先明確暫態(tài)電壓穩(wěn)定的判斷依據。根據當前的技術發(fā)展現狀來看，采用暫態(tài)電壓可接受程度來判斷暫態(tài)電壓的穩(wěn)定狀態(tài)，是一種較為實用的途徑。在實際分析過程中，本文利用實際交直流電力系統(tǒng)為原型，構建如圖1所示交直流混聯算例系統(tǒng)。算理系統(tǒng)當中，負荷主要分布在Bus6和Bus8處，且功率因數均為0.95。

觀察圖1能夠發(fā)現，Bus2與Bus3之間為交流通道，由于負荷功率因數恒定為0.95，則可通過相關增長模式，計算出交流通道中的靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，如表1所示。通過對表1中數據的分析能夠發(fā)現，在遠端負荷不斷增加的狀態(tài)下，電力系統(tǒng)當中交流通道的無功潮流也逐漸增加；由于Bus3母線電壓降低，LPQ指標隨之增大，經計算，靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限應為3450MW，對應的LPQ指標應為0.9782，與極限值1十分接近，由此能夠說明通過該穩(wěn)定性指標，能夠進一步對交直流電力系統(tǒng)中暫態(tài)電壓穩(wěn)定性展開有效分析。

以直流雙極閉鎖故障為例，對交流輸電通道的暫態(tài)電壓穩(wěn)定極限值進行測算。發(fā)生直流輸電閉鎖故障，必然會對交流系統(tǒng)造成沖擊，其原理如下：當直流雙極發(fā)生閉鎖之后，大量的功率將在瞬時轉移到交流系統(tǒng)當中，致使交流通道中的功率發(fā)生大幅度變動，此時，為保證電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，需要切除大量的機組。根據實踐經驗來看，直流輸送量越大的交直流電力系統(tǒng)，在發(fā)生直流雙極閉鎖故障之后，暫態(tài)電壓穩(wěn)定性越差[1]。

在算理系統(tǒng)當中，假設故障的發(fā)生時刻為0s；在0.1s將全部的濾波電容器切除，此時將會有大約3000MW的有功功率經過交流通道進入Bus3；Bus3的母線電壓有明顯降低；暫態(tài)過程中，Bus2與Bus3之間交流通道的功率，必然會發(fā)生一定變化，經過觀察與分析，Bus2-Bus3的有功功率隨時間的變化逐漸增加；Bus2-Bus3的無功功率，隨時間的變化逐漸減少；歸納故障之后任意時刻交流通道的LPQ指標，能夠得到圖2所示圖像。

通過圖2能夠看出，當交直流電力系統(tǒng)當中發(fā)生直流閉鎖故障之后，交流通道上會隨之發(fā)生大幅的潮流變化，導致母線電壓降低，此時的LPQ指標將趨近于1；當時間發(fā)展到3.88s左右時，LPQ指標最接近1，達到暫態(tài)電壓穩(wěn)定極限。由此可見，當交直流電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，在PMU就地測量的支持下，能夠對電力系統(tǒng)當中的各交流與直流線路的LPQ指標進行實時計算，為后續(xù)電力系統(tǒng)實時暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的有效評估，提供可靠數據；為制定交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)的預防措施，奠定良好的基礎。

3 交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)的預防措施

根據交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性分析，能夠明確應對交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)現象的幾個思路，如下：

（1）當交直流電力系統(tǒng)發(fā)生緊急故障時，利用發(fā)電機與勵磁機的過負荷能力，能夠通過推遲電壓崩潰，為故障運維預留出更多時間。在推遲時間內，交直流電力系統(tǒng)運行維護人員，應改變調度或削減負荷，由此能夠提高發(fā)電機的機端電壓水平，進而提高發(fā)電機的輸出能力[2]。在這一過程當中，若能通過發(fā)電機自動調壓器，對發(fā)電機高壓側的電壓進行有效控制，使其趨于恒定，則能夠讓電源與負荷的電氣距離得以縮減，電力系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性也有望得到增強。

（2）針對交直流電力系統(tǒng)的特點，超導儲能裝置的運用，在應對交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)現象的過程中，能夠發(fā)揮顯著作用。運用超導儲能裝置時，在循環(huán)電流的作用下能夠形成一個磁場，超導儲能裝置就是利用這一磁場來儲存電能的；這種儲能方式，能夠滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行對相關有功與無功功率交換時的快速、高效等要求；另外，超導儲能裝置還具有四象限運行能力，在這種能力的支持下，能夠確保裝置的運用，可提高交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。實踐經驗表明，超導儲能裝置的控制方式與安裝地點，能夠在一定程度上影響其控制效果，對此，若能將其安裝在動態(tài)負荷位置，并采用無功-電壓控制方式，即可獲得對交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的最佳控制效果。

（3）廣域測量/監(jiān)視系統(tǒng)（WAMS）的應用，對控制交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)問題，能夠產生顯著作用。通過WAMS可以對廣域電網的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，包括電網的動態(tài)無功備用，如此在充分了解電力系統(tǒng)電壓運行狀態(tài)的基礎上，也可及時了解其中的薄弱點，提前考慮相關無功調節(jié)手段，找到最佳的減載點并確定數量之后，可進一步制定可靠的預防方案[3]。WAMS從電力系統(tǒng)當中采集的電壓相量信息，能夠反映系統(tǒng)當中電壓的分布，當系統(tǒng)當中發(fā)生暫態(tài)電壓越限問題時，WAMS會及時發(fā)出警報提醒相關管理人員，同時還會啟動錄波功能，以便為后續(xù)故障維修等操作收集充足的故障信息。充分發(fā)揮WAMS對電力信息的實時采集功能，能夠確保電力系統(tǒng)當中各控制器間的協調效果，對預防WAMS交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)，能夠起到顯著作用。

4 結束語

綜上所述，深入研究、思考交直流電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，有利于解決影響交直流電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的各項問題。通過算例分析，在直流雙極閉鎖故障后，電力系統(tǒng)當中的交流通道也會發(fā)生一系列的變化，并對電力系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，產生不同程度的影響。針對電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的各項影響因素，采取相應的預防措施，能最大程度避免交直流電力系統(tǒng)在運行期間及故障發(fā)生之后，出現暫態(tài)電壓失穩(wěn)的現象，確保電網運行質量。

參考文獻

[1]管永高.含FACTS裝置的交直流混聯系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性研究[D].東南大學，2015.

[2]李弘毅.多直流饋入大電網的電壓運行特性研究[D].華中科技大學，2015.

[3]程振龍.交直流混聯受端電網暫態(tài)電壓穩(wěn)定研究[D].華北電力大學，2014.

收稿日期：2018-5-9

作者簡介：羅松盛（1980-），男，配電部運維班副班長，大學本科，主要從事配電線路運維工作。