基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的直流系統(tǒng)與交流電網(wǎng)影響機(jī)理研究

董佳 李存斌

摘?要：隨著西電東送、南北互供的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)，含大規(guī)模直流輸電的復(fù)雜電力系統(tǒng)越來越普遍，電力系統(tǒng)中直流系統(tǒng)與交流電網(wǎng)的相互影響越來越復(fù)雜，影響造成的危害和損失也越來越嚴(yán)重，電力系統(tǒng)的安全性和可靠性面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。為此討論直流系統(tǒng)與交流電網(wǎng)的相互影響，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的思想確立直流系統(tǒng)與交流電網(wǎng)的相互影響機(jī)理，通過系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)圖直觀展現(xiàn)，并提出一些可以提高交直流互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的建議，對(duì)于交直流互聯(lián)系統(tǒng)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)動(dòng)力學(xué);直流系統(tǒng);交流電網(wǎng);影響機(jī)理

隨著交直流混合運(yùn)行模式的形成，電力系統(tǒng)特性的復(fù)雜化也使電力系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)增大，直流系統(tǒng)與交流電網(wǎng)之間的相互影響已經(jīng)成為一個(gè)不容忽視的重要因素。[1-3]

通過研究直流系統(tǒng)與交流電網(wǎng)之間的相互影響，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的思想確立直流系統(tǒng)和交流電網(wǎng)的相互影響機(jī)理，并通過系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)圖直觀展現(xiàn)出來，最后根據(jù)影響機(jī)理給出提高交直流互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的建議，為復(fù)雜電力系統(tǒng)管理提供一定借鑒。

1 直流系統(tǒng)對(duì)交流電網(wǎng)的影響

在含有大規(guī)模直流輸電的電力系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)對(duì)交流電網(wǎng)產(chǎn)生的影響首先體現(xiàn)在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)對(duì)交流電網(wǎng)的功角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性的影響。

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障引起換相失敗甚至直流閉鎖時(shí)，隨著直流輸電規(guī)模的擴(kuò)大，相對(duì)于交流電網(wǎng)，直流線路輸送功率增大，直流回?cái)?shù)增加、落點(diǎn)密集度增大。[4]當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障后，所產(chǎn)生的暫態(tài)能量對(duì)交流電網(wǎng)功角穩(wěn)定性的沖擊也將增大。

當(dāng)直流系統(tǒng)降額運(yùn)行時(shí)，會(huì)引起交流輸電線路重載或過載，使交流電網(wǎng)電壓大幅波動(dòng)，導(dǎo)致交流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性受到影響。[5]而不同的直流控制方式、無功補(bǔ)償類型、分組容量的大小對(duì)交流電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。[6]此外，低壓限流控制的整定值和動(dòng)態(tài)特性對(duì)交流電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性起著相當(dāng)重要的作用。[7]

直流系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)能很好地彌補(bǔ)交流電網(wǎng)，在含大規(guī)模高壓直流輸電的復(fù)雜電力系統(tǒng)工程中，高壓直流輸電在線路上比較經(jīng)濟(jì)。[8]并且在西電東送、南北互供的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略下，遠(yuǎn)距離輸電較為普遍，采用直流輸電產(chǎn)生的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于用換流設(shè)備產(chǎn)生的費(fèi)用，且線路越長(zhǎng)，節(jié)省越多。

2 交流電網(wǎng)對(duì)直流系統(tǒng)的影響

交流電網(wǎng)對(duì)直流系統(tǒng)的影響主要集中在交流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，交流換流母線電壓降低，引發(fā)直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗甚至閉鎖。無論是受端交流電網(wǎng)故障還是送端交流電網(wǎng)故障都會(huì)引起直流系統(tǒng)電壓的變化，造成直流系統(tǒng)輸送功率的波動(dòng)，導(dǎo)致直流系統(tǒng)穩(wěn)定性受到一定的沖擊（如下表所示）。

直流系統(tǒng)電壓等級(jí)不斷提高，或是直流系統(tǒng)輸送容量越大，都將導(dǎo)致交流電網(wǎng)故障對(duì)直流系統(tǒng)的影響越來越大;此外，交流電網(wǎng)故障切除時(shí)間越短，交流電網(wǎng)電壓恢復(fù)的速度就越快，直流系統(tǒng)也就能在經(jīng)歷一個(gè)短暫的功率和電壓跌落后快速恢復(fù)正常。在多饋入直流系統(tǒng)中，交流電網(wǎng)故障的發(fā)生地點(diǎn)及嚴(yán)重程度也會(huì)決定直流系統(tǒng)是否會(huì)同時(shí)或相繼發(fā)生換相失敗。[9]

3 交直流系統(tǒng)相互影響機(jī)理

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是系統(tǒng)科學(xué)理論與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合，研究系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)與行為的科學(xué)。系統(tǒng)隨環(huán)境和時(shí)間演變，外界對(duì)系統(tǒng)的影響和系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用構(gòu)成了系統(tǒng)發(fā)展的動(dòng)力。[10]這種動(dòng)力可以用因果關(guān)系量化表示，如圖3所示。

根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論，在交直流互聯(lián)系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)故障對(duì)交流電網(wǎng)的影響主要集中在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，交流電網(wǎng)的功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定受到?jīng)_擊。交流電網(wǎng)故障對(duì)直流系統(tǒng)的影響則主要集中在交流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，引發(fā)直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗甚至閉鎖。

4 結(jié)論

根據(jù)以上對(duì)交直流互聯(lián)系統(tǒng)中直流系統(tǒng)與交流電網(wǎng)相互影響機(jī)理的研究，提出可以提高交直流互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的建議：增加交流電網(wǎng)無功補(bǔ)償;調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁和釆取低電壓切負(fù)荷措施;對(duì)有載調(diào)壓變壓器進(jìn)行緊急控制;增加直流系統(tǒng)換流站無功補(bǔ)償;減少整流側(cè)換流變壓器變比和增加逆變側(cè)換流變壓器變比;在多饋入交直流互聯(lián)系統(tǒng)中，還可以通過在多個(gè)直流系統(tǒng)之間采取有效的協(xié)調(diào)控制措施以提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。[11]

通過以上對(duì)交直流相互影響機(jī)理的研究，表明直流系統(tǒng)和交流電網(wǎng)兩者相互影響很大、錯(cuò)綜復(fù)雜，一方面直流系統(tǒng)解決了交流電網(wǎng)的一些缺點(diǎn)，在我國(guó)長(zhǎng)距離大容量輸電和電網(wǎng)互聯(lián)中發(fā)揮了重要的作用;另一方面兩者的互聯(lián)使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，電力系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)更大。因此需要在構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)的交流電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，發(fā)展直流輸電，形成“強(qiáng)交強(qiáng)直”的混合電網(wǎng)，相互補(bǔ)充、相互支撐，充分發(fā)揮兩者各自的功能和優(yōu)勢(shì)，保證電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

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