探析特高压直流电对电网交流系统的影响

探析特高压直流电对电网交流系统的影响

李平伟1寇大鹏1齐建伟1孟旭1郭建华2赵

（1.国网山西省电力有限公司检修分公司山西太原030032；

2.国网辽宁省电力有限公司检修分公司辽宁沈阳110000）

摘要：在供电需求及稳定性要求愈来愈高情况下，引入特高压直流输电工程后，混合系统能否在各种故障冲击影响下还能保持正常供电，能否快速有效的排除故障，恢复正常运行，这些都是引入特高压直流工程后原来电网规划必须考虑和解决的问题。需要对特高压直流输电工程引入受端交流电网后的稳定性若干问题进行探讨，不仅可以享受到新增大容量电力给经济带来的促进，以及给人民生活水平带来的福利，还有效避免了新兴电网架构下的重大安全稳定问题，这对于电网安全运行将起到显著作用。

关键词：特高压直流电流；电网交流系统；影响

1特高压直流系统概述

经过多年的运行发现，特高压直流输电具有如下显著的特点及优势：①电压等级很高，对相关的配置及电力设备提出了更为严苛的绝缘要求；例如±800KV的耐压性能，各项绝缘装置都己经不是原来等级电压可以满足的了。②输电量巨大。截止目前为止，很多国家己成功投运了多种大容量3GW的高压直流输电工程。③送电距离远。据有关资料显示国外最长的输电线路长达1700km，而中国的特高压输电距离已经超过了2000km，居于世界顶尖水平。③输送功率的矢量特性可以完美的监测和掌控。④直流输电连入电网不会增加原电力系统的负荷，同时也不会对电网的稳定性造成很大影响。⑤直流输电可以充分利用架空输电线路的空间，其空间利用率远高于交流输电，同等电压等级交流500kV，线路长度利用程度即使增加为55m，送电容量却只能达到直流的三分之一，1GW。⑥相比于交流电缆对地相当于电容而引起感应电流，必须装设消弧线圈，还有伴随而来的磁损、介损等困扰，直流电缆在此就比交流性能优越很多，根本不会具有上述问题。值得一提的是直流电缆也会有电阻性损耗，绝缘要求相比交流更低。⑦直流输电工程两极可单独供电的特性，不惧怕另一极出现问题，单极供电也可满足用户用电需求，同时利用负荷调整的能力，也可以控制功率大小在既定范围以内。⑧直流系统自身具有的调节功能，有助于提高暂态稳定性。⑨有利于实现大电网非同步联网，常用直流背靠背方式来实现，其主要的优点是：直流侧可以选择低电压大电流，子网之间不会形成干扰，而且还具备快速功率交换的能力。高压直流输电（HVDC）技术自上世纪中期广泛应用于电力系统中到现在，熬过了汞弧阀、晶闸管阀换流时代，目前全球拥有的正常运行直流输电工程有70多项。直流输电系统一般构造为三部分组成：整流站、逆变站和直流输电线路。

2国内外研究现状

相比于特高压交流输电技术，特高压直流输电在很多方面体现了其独特的优势。第一，直流输送容量很大，其输送容量不受传输距离的影响，尤其适合远距离跨区大容量输电。第二，直流输电方式动态响应良好、迅速快捷、方便控制，在精确调度和控制方面优势明显，并且可以新增额外的控制方法来提供混连系统的动态响应特性；第三，直流输电可以在两侧同步和非同步下运行，可以实现非同步系统的互联，无论两种系统运行频率是否相同。所以直流输电技术是新时代下兴起的先进输电手段，是传统技术的重要延伸以及补充。随着高功率、大容量电力电子器件制造技术的飞速发展，特别是高电压、大容量晶闸管技术的逐步成熟并商用，高压直流输电技术应用如雨后春笋般的涌现在各国电网中来，国内外不断有新建的直流输电工程投入使用。我国幅员辽阔，经济发展不均、能源分布不均，对这种先进的输电技术需求更大，随着国内陆续新增建设并投运的直流输电工程，中国直流输电应用规模己高居世界第一，无论线路长度、输电总容量还是己投运工程项目，均高居世界首位，我国的直流输电技术己成为世界直流输电领域的风向杆。特高压直流系统投运后会给原交流系统带来显著的影响，目前的研究多针对直流系统运行时带来的的谐波干扰、特高压直流输电给交流系统稳定性及运行方式带来的影响以及交流电网故障后混合系统稳定性及运行方式等等。

3特高压直流电对电网交流系统的影响

3.1特高压直流输电对电网稳定性影响

3.1.1当交流电网出现故障后混合系统动态特性

当交流电网出现故障时，可从两端换流站交流变化的母线电压情况看出问题所在。当扰动很小未造成很大程度影响时，换相电压也不会有很大的变化，同时也不会对直流输送的功率造成影响；当出现大幅度扰动时，换相电压的变化情况需要视具体情况而定。一般情况下，交流系统逆变侧发生故障比在整流侧发生故障更容易使得发生换相失败情况。

3.1.2交流系统故障后交直流系统的暂态稳定性

如果受端电网有很好的抗干扰能力，则能降低因换相失败时伴随的直流功率降低影响。若能及时切除交流系统的非正常部分，系统电压会因保护动作而趋向正常，那么直流输送有功功率也会因为电压的改变而趋向正常。相比于功角稳定性而言，直流功率趋向正常的时间越短，系统的有功平衡回正能力越强越有利于系统稳定性。除此以外，直流功率趋向正常的能力很大程度上取决于直流换流器的机械特性和运行状态。当换流器本身所消耗的无功功率增加，但此时的交流换相电压并不是系统稳定运行额定电压，由无功补偿装置产生的无功将难以弥补换流器的无功消耗，这个差值不得不转交由受端供应，受端电网接受到这种瞬时无功功率的跃动，也就是说一旦直流功率在极短的时间内趋向于正常，受端电网的稳定性很可能就破坏掉了。

3.1.3直流闭锁后交直流系统的暂态稳定性

交直流系统暂态稳定性受到直流闭锁的影响描述如下：当直流闭锁且快速切除无功补偿设备时，受、送端电网的电压逐渐减少，减小了所有系统的动态备用无功。此外，直流闭锁会使得受端电网有功差值数据变化很大，这些差值会有通过联络的正常交流线路进行补充，此时提供功率的联络线的无功功率也会发生变化，这种情况下电压崩溃送端残留的大量功率会大幅度增加电网频率，这种情况下迅速切机快速援救控制办法的采取才可以保持电网稳定运行。

3.2特高压直流系统谐波影响

随着直流系统电压等级的逐渐提升，对系统运行可靠性提出了更高要求，直流谐波问题已成为一个重点关注的问题。高压换流器具有典型的非线性特征，在运行中可以等效为一个谐波电源，其产生的谐波会在直流系统以及交流系统形成谐波电压以及谐波电流。当谐波含量较高时将对电力系统造成严重危害，主要体现在：（1）谐波的存在影响电网的经济运行。谐波的存在造成了电网较多的无功以及有功损耗，虽然相比电网总功率来说其占比不大，但从绝对数值上来说还是非常可观的，不能被忽视；（2）相对于运行中的工频量来说，谐波富含多种频率的高频分量，在某些特定频率的分量作用下，设备可能产生并联或串联谐振，进一步的加重了谐波的产生，并引发发热与附加损耗，严重时使得设备发生故障；（3）谐波分量较高时，有引起直流保护误动或拒动的可能性；（4）谐波使得电力系统设备带来了更多的附加谐波损耗，严重降低了设备的运行效率；（5）在谐波作用下，某些设备无法正常工作；（6）谐波使得设备老化加剧，绝缘劣化，降低其运行寿命；（7）谐波产生高频干扰，对通信质量造成影响。现代居民及工业用电对电能提出了更高的质量要求，所以直流系统的谐波不能过大，需要评估直流系统投运后系统的谐波分布情况，以制定相关抑制措施。

参考文献：

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[2]吴彦维，李晔，陈大鹏，李乾，周晓风.10000MW特高压直流工程受端分层接入交流电网方式下直流控制系统研究[J].电力系统保护与控制，2015，43（18）：108-113.

[3]郭焕，曹均正，汤广福，魏晓光，许韦华，张静，刘杰.±1100kV特高压直流换流系统主电路优化设计[J].电网技术，2013，37（09）：2383-2389.