基于系統動力學的直流系統與交流電網影響機理研究

董佳 李存斌

摘?要：隨著西電東送、南北互供的電網發展戰略的推進，含大規模直流輸電的復雜電力系統越來越普遍，電力系統中直流系統與交流電網的相互影響越來越復雜，影響造成的危害和損失也越來越嚴重，電力系統的安全性和可靠性面臨著前所未有的挑戰。為此討論直流系統與交流電網的相互影響，運用系統動力學的思想確立直流系統與交流電網的相互影響機理，通過系統動力學圖直觀展現，并提出一些可以提高交直流互聯系統穩定性的建議，對于交直流互聯系統具有重要意義。

關鍵詞：系統動力學;直流系統;交流電網;影響機理

隨著交直流混合運行模式的形成，電力系統特性的復雜化也使電力系統的安全風險增大，直流系統與交流電網之間的相互影響已經成為一個不容忽視的重要因素。[1-3]

通過研究直流系統與交流電網之間的相互影響，運用系統動力學的思想確立直流系統和交流電網的相互影響機理，并通過系統動力學圖直觀展現出來，最后根據影響機理給出提高交直流互聯系統的穩定性的建議，為復雜電力系統管理提供一定借鑒。

1 直流系統對交流電網的影響

在含有大規模直流輸電的電力系統中，直流系統對交流電網產生的影響首先體現在直流系統發生故障時對交流電網的功角穩定性和電壓穩定性的影響。

當直流系統發生故障引起換相失敗甚至直流閉鎖時，隨著直流輸電規模的擴大，相對于交流電網，直流線路輸送功率增大，直流回數增加、落點密集度增大。[4]當直流系統發生故障后，所產生的暫態能量對交流電網功角穩定性的沖擊也將增大。

當直流系統降額運行時，會引起交流輸電線路重載或過載，使交流電網電壓大幅波動，導致交流電網電壓穩定性受到影響。[5]而不同的直流控制方式、無功補償類型、分組容量的大小對交流電網的電壓穩定性也會產生不同的影響。[6]此外，低壓限流控制的整定值和動態特性對交流電網的電壓穩定性起著相當重要的作用。[7]

直流系統在經濟方面的優勢能很好地彌補交流電網，在含大規模高壓直流輸電的復雜電力系統工程中，高壓直流輸電在線路上比較經濟。[8]并且在西電東送、南北互供的電網發展戰略下，遠距離輸電較為普遍，采用直流輸電產生的費用遠遠小于用換流設備產生的費用，且線路越長，節省越多。

2 交流電網對直流系統的影響

交流電網對直流系統的影響主要集中在交流電網發生故障時，交流換流母線電壓降低，引發直流系統發生換相失敗甚至閉鎖。無論是受端交流電網故障還是送端交流電網故障都會引起直流系統電壓的變化，造成直流系統輸送功率的波動，導致直流系統穩定性受到一定的沖擊（如下表所示）。

直流系統電壓等級不斷提高，或是直流系統輸送容量越大，都將導致交流電網故障對直流系統的影響越來越大;此外，交流電網故障切除時間越短，交流電網電壓恢復的速度就越快，直流系統也就能在經歷一個短暫的功率和電壓跌落后快速恢復正常。在多饋入直流系統中，交流電網故障的發生地點及嚴重程度也會決定直流系統是否會同時或相繼發生換相失敗。[9]

3 交直流系統相互影響機理

系統動力學是系統科學理論與計算機仿真技術相結合，研究系統反饋結構與行為的科學。系統隨環境和時間演變，外界對系統的影響和系統內部的相互作用構成了系統發展的動力。[10]這種動力可以用因果關系量化表示，如圖3所示。

根據系統動力學的理論，在交直流互聯系統中，直流系統故障對交流電網的影響主要集中在直流系統發生故障時，交流電網的功角穩定和電壓穩定受到沖擊。交流電網故障對直流系統的影響則主要集中在交流電網發生故障時，引發直流系統發生換相失敗甚至閉鎖。

4 結論

根據以上對交直流互聯系統中直流系統與交流電網相互影響機理的研究，提出可以提高交直流互聯系統穩定性的建議：增加交流電網無功補償;調節發電機勵磁和釆取低電壓切負荷措施;對有載調壓變壓器進行緊急控制;增加直流系統換流站無功補償;減少整流側換流變壓器變比和增加逆變側換流變壓器變比;在多饋入交直流互聯系統中，還可以通過在多個直流系統之間采取有效的協調控制措施以提高系統的電壓穩定性。[11]

通過以上對交直流相互影響機理的研究，表明直流系統和交流電網兩者相互影響很大、錯綜復雜，一方面直流系統解決了交流電網的一些缺點，在我國長距離大容量輸電和電網互聯中發揮了重要的作用;另一方面兩者的互聯使系統變得更加復雜，電力系統的安全風險更大。因此需要在構建堅強的交流電網的基礎上，發展直流輸電，形成“強交強直”的混合電網，相互補充、相互支撐，充分發揮兩者各自的功能和優勢，保證電力系統安全和經濟的運行。

參考文獻：

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