交直流电力系统暂态稳定分析与控制问题研究

曾琼 段宗希

（湖南澧水流域水利水电开发有限责任公司 湖南长沙 410004）

交直流电力系统暂态稳定分析与控制问题研究

曾琼 段宗希

（湖南澧水流域水利水电开发有限责任公司 湖南长沙 410004）

交直流相关知识理论与技术不仅是物理教学中的重点，是学生必须掌握的一门学科知识，而且是我国电网改扩建项目中的重要支撑，特别是直流输电技术在大容量和远距离传输中更具优越性。本文以交直流电力系统为研究核心，从暂态稳定的机理与衡量指标、暂态稳定的控制技术和改善措施几方面对其进行研究，以期为电力系统暂态稳定的改善提供指导和借鉴。

暂态稳定；交直流电力系统；机理分析；控制

前言

当前，交流输电和直流输电是我国电力输送的两种主要方式，这两种输电技术的显著优势是电力变换传输与分配灵活，适应性强，经济性高，能够较好的满足大容量远距离电能传输需求，但缺点是容易引发大面积停电事故，加剧短路电流水平超限问题，缺乏网络功能。而交直流电作为高中物理教学重要组成内容，从这一角度对交直流电力系统的暂态稳定问题尽心分析非常必要。

1 交直流电力系统的暂态稳定分析

1.1 交直流电力系统的暂态稳定机理

了解交直流电力系统的暂态稳定机理，既是作为高中生在物理学习中应掌握的一个重要知识点，同时也是探索出暂态稳定有效改善措施的前提条件。但不同状态下的交直流电力系统的暂态稳定机理不同，因而我们需要针对不同情况下的交直流电力系统暂态稳定机理进行分析，主要从交流系统故障和直流系统故障两方面来进行。交流系统在故障状态下的暂态稳定主要是由直流系统发生永久性封锁故障所致。一旦直流系统发生永久性封锁故障，将会造成受端电网大量功率减小，不足以满意系统正常运转所需，相对的送端电网功率会大量过剩，从而引发整个交流系统内部出现大范围的潮流转移[1]。交流系统内部的潮流转移既是暂时性的也是长期的，这并不矛盾，因为与直流换相失败故障类似，交流系统在封锁故障消除后，大范围的潮流转移会逐步恢复，但同时被封锁的交流系统会中断功率的输送，虽然功率损失较小但却是长期性的。

当受端电网交流系统发生短路故障时，在靠近故障点附近的直流系统逆变站会发生换相失败故障。这一故障的发生主要与换流母线的交流电压幅值、逆变站换相电抗、变压器变比等多种因素有关，它会造成直流系统电流增大，直流反电压减小，功率大幅下降，送端电网功率大量过剩，进而造成交流系统内部大范围潮流转移。研究表明，大范围的潮流转移会对联网结构的交直流电力系统暂态稳定产生严重影响，使潮流大范围的向交流输电线路转移，造成并列交流输电线路暂态稳定超出极限，最终致使整个系统暂态失稳[2]。同时，发电机在这一过程中随着其相对功角的摆开，可能会进一步加剧暂态失稳状态。基于上面两种情况分析不难发现，受端电网交流系统的短路故障和直流系统的永久性封锁故障是对交直流电力系统暂态稳定影响最为显著的两种故障。

1.2 交直流电力系统的暂态稳定指标

对于交直流电力系统的暂态稳定评价来说，主要是评估交流系统对直流功率的接受能力，分析可能发生的暂态稳定问题，初步判定交直流电力系统的暂态稳定水平。而在这些评价指标中，强度量化指标尤为关键，包括单直流落点系统的强度量化指标和多直流落点系统的强度量化指标。在单直流落点系统中，直流输电系统逆变站交流母线的有效短路比和临界有效短路比是最为常用的交直流电力系统强度量化指标，主要是通过对受端电网对直流系统逆变站电压承受能力的评估来反映出直流系统的功率稳定情况和电压稳定情况。通常两者呈正比关系，即有效短路比越大则电压承受能力越强[3]。在多直流落点系统中，由于各回直流系统换流站之间存在着较强的相互作用，因而由量化各换流站之间的相互耦合度所得到的耦合导纳成为评价交直流电力系统的一个有效强度量化指标。一般，直流换流站间的耦合导纳越大，说明耦合度就越高，但其存在着两个临界值，分别为强耦合临界导纳和弱耦合临界导纳。

2 改善交直流电力系统暂态稳定的具体对策

根据交直流电力系统暂态稳定的机理与评价指标分析，人们对交直流电力系统暂态稳定改善措施的研究和探索主要集中在两方面，即交流系统的暂态稳定改善和直流系统的暂态稳定改善。

2.1 基于交流系统的改善对策

通过交流系统暂态稳定的改善来达到改善交直流电力系统的暂态稳定情况，具体应从三个方面来入手：①革新电网分区技术，改善电网结构。电网结构合理与否直接影响着整个交直流电力系统的运行情况。电力工作者应在电网建设过程中对电网结构进行合理的规划与布设，采用先进电网分区技术，如基于故障限流器的电网动态分区技术等来对电网实施科学合理的划分，调整区域间电网的互联方式，调整交流系统的电源配置和局部接线方式，增设动态无功补偿装置，改善电网结构，进而改善交直流电力系统的暂态稳定情况[4]。②提高交流系统短路故障的排除效率。交流系统的短路故障是造成交直流电力系统暂态稳定失稳的主要故障之一，因而我们应重视起对故障的预防和处理，购进先进电子元器件和电力设备，改善设备工作性能，提高设备工作效率。加强对交直流电力系统的检查和状态监测，确保发生的故障可以被及时发现及时处理，提高交流系统短路故障的排除效率，降低短路故障对交直流电力系统的暂态稳定影响。③强化电力设备的紧急控制。在交直流电力系统的日常运行过程中，不可避免的会发生一些紧急情况，当出现紧急情况时，为了不因此而造成交直流电力系统暂态失稳，强化对交流系统电力设备的紧急控制显得非常必要和重要，如强励控制、切记、电气制动、汽门等，这些设备的紧急操控都应加以一定的强化。

2.2 基于直流系统的改善对策

通过改善直流系统的暂态稳定来改善交直流电力系统的暂态稳定，结合上面分析，其应采取的措施主要有革新直流输电技术，改善直流落点系统，优化直流系统的恢复策略和增强直流系统的调制控制与紧急功率提升控制。直流输电技术是实现直流输电的基础与关键，它既直接影响着直流系统本身的暂态稳定，同时也影响着交直流电力系统的暂态稳定[5]。随着电力产业的不断发展，电力企业应积极革新直流输电技术，加大技术创新研究力度，加快直流输电技术改革，引入新型换流器，如电网换相换流器、电压源换流器等，为直流系统提供可靠技术支撑。直流落点系统在电网中的接入方式、系统规模和落点位置均对交直流电力系统的暂态稳定具有一定影响，通过改进直流落点系统的接入方式，调整其规模与落点位置，可以在一定程度上提高交直流电力系统的暂态稳定性。另外，优化直流系统恢复策略，对交流系统功率实施支援，提升故障排除后的系统恢复能力，也可以对交直流电力系统暂态稳定的改善起到一定正向作用。

3 总结

综上所述，影响交直流电力系统暂态稳定情况的因素有很多，其中交流系统侧的短路故障和直流系统侧的永久性封锁故障最为关键，它们是诱使交直流电力系统暂态失稳的重要原因。因此，从故障排除效率、电网结构优化和电力设备紧急控制，直流输电技术、换流器更新等多方面采取措施，相信可以有效改善交直流电力系统的赞太稳定性。

[1]薛振宇.交直流混联电力系统暂态仿真及其稳定性分析与参数优化[D].天津大学，2011.

[2]屠竞哲.交直流电力系统稳定性分析与控制相关问题的研究[D].浙江大学，2012.

[3]周野.基于SGEAC法的电力系统暂态稳定分析与控制[D].湖南大学，2013.

[4]翁华.大规模交直流系统电磁暂态仿真和稳定控制技术研究[D].浙江大学，2014.

[5]徐泰山，丁茂生，彭慧敏，等.交直流电力系统暂态安全稳定在线紧急控制策略并行算法[J].电力系统自动化，2015，10：174～180.

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