基于系统动力学的直流系统与交流电网影响机理研究

董佳 李存斌

摘 要：随着西电东送、南北互供的电网发展战略的推进，含大规模直流输电的复杂电力系统越来越普遍，电力系统中直流系统与交流电网的相互影响越来越复杂，影响造成的危害和损失也越来越严重，电力系统的安全性和可靠性面临着前所未有的挑战。为此讨论直流系统与交流电网的相互影响，运用系统动力学的思想确立直流系统与交流电网的相互影响机理，通过系统动力学图直观展现，并提出一些可以提高交直流互联系统稳定性的建议，对于交直流互联系统具有重要意义。

关键词：系统动力学;直流系统;交流电网;影响机理

随着交直流混合运行模式的形成，电力系统特性的复杂化也使电力系统的安全风险增大，直流系统与交流电网之间的相互影响已经成为一个不容忽视的重要因素。[1-3]

通過研究直流系统与交流电网之间的相互影响，运用系统动力学的思想确立直流系统和交流电网的相互影响机理，并通过系统动力学图直观展现出来，最后根据影响机理给出提高交直流互联系统的稳定性的建议，为复杂电力系统管理提供一定借鉴。

1 直流系统对交流电网的影响

在含有大规模直流输电的电力系统中，直流系统对交流电网产生的影响首先体现在直流系统发生故障时对交流电网的功角稳定性和电压稳定性的影响。

当直流系统发生故障引起换相失败甚至直流闭锁时，随着直流输电规模的扩大，相对于交流电网，直流线路输送功率增大，直流回数增加、落点密集度增大。[4]当直流系统发生故障后，所产生的暂态能量对交流电网功角稳定性的冲击也将增大。

当直流系统降额运行时，会引起交流输电线路重载或过载，使交流电网电压大幅波动，导致交流电网电压稳定性受到影响。[5]而不同的直流控制方式、无功补偿类型、分组容量的大小对交流电网的电压稳定性也会产生不同的影响。[6]此外，低压限流控制的整定值和动态特性对交流电网的电压稳定性起着相当重要的作用。[7]

直流系统在经济方面的优势能很好地弥补交流电网，在含大规模高压直流输电的复杂电力系统工程中，高压直流输电在线路上比较经济。[8]并且在西电东送、南北互供的电网发展战略下，远距离输电较为普遍，采用直流输电产生的费用远远小于用换流设备产生的费用，且线路越长，节省越多。

2 交流电网对直流系统的影响

交流电网对直流系统的影响主要集中在交流电网发生故障时，交流换流母线电压降低，引发直流系统发生换相失败甚至闭锁。无论是受端交流电网故障还是送端交流电网故障都会引起直流系统电压的变化，造成直流系统输送功率的波动，导致直流系统稳定性受到一定的冲击（如下表所示）。

直流系统电压等级不断提高，或是直流系统输送容量越大，都将导致交流电网故障对直流系统的影响越来越大;此外，交流电网故障切除时间越短，交流电网电压恢复的速度就越快，直流系统也就能在经历一个短暂的功率和电压跌落后快速恢复正常。在多馈入直流系统中，交流电网故障的发生地点及严重程度也会决定直流系统是否会同时或相继发生换相失败。[9]

3 交直流系统相互影响机理

系统动力学是系统科学理论与计算机仿真技术相结合，研究系统反馈结构与行为的科学。系统随环境和时间演变，外界对系统的影响和系统内部的相互作用构成了系统发展的动力。[10]这种动力可以用因果关系量化表示，如图3所示。

根据系统动力学的理论，在交直流互联系统中，直流系统故障对交流电网的影响主要集中在直流系统发生故障时，交流电网的功角稳定和电压稳定受到冲击。交流电网故障对直流系统的影响则主要集中在交流电网发生故障时，引发直流系统发生换相失败甚至闭锁。

4 结论

根据以上对交直流互联系统中直流系统与交流电网相互影响机理的研究，提出可以提高交直流互联系统稳定性的建议：增加交流电网无功补偿;调节发电机励磁和釆取低电压切负荷措施;对有载调压变压器进行紧急控制;增加直流系统换流站无功补偿;减少整流侧换流变压器变比和增加逆变侧换流变压器变比;在多馈入交直流互联系统中，还可以通过在多个直流系统之间采取有效的协调控制措施以提高系统的电压稳定性。[11]

通过以上对交直流相互影响机理的研究，表明直流系统和交流电网两者相互影响很大、错综复杂，一方面直流系统解决了交流电网的一些缺点，在我国长距离大容量输电和电网互联中发挥了重要的作用;另一方面两者的互联使系统变得更加复杂，电力系统的安全风险更大。因此需要在构建坚强的交流电网的基础上，发展直流输电，形成“强交强直”的混合电网，相互补充、相互支撑，充分发挥两者各自的功能和优势，保证电力系统安全和经济的运行。

参考文献：

[1]邓健俊.含柔性直流输电的交直流系统潮流优化控制方法研究[D].广东：华南理工大学，2013：4-5.

[2]蔡泽祥，李佳曼，余超耘，李晓华.直流扰动对交流继电保护动态行为的影响[J].高压电技术，2016，42（10）：3250-3251.

[3]赵婷婷.直流输电控制及其与交流电网相互影响的研究与应用[D]山西：太原理工大学，2016：6.

[4]李英毓.交直流混联电网交互影响研究及仿真分析[D].天津：天津大学，2014：7-12.

[5]杨镝.特高压直流输电系统可靠性及其对交流系统的影响[D].上海：上海交通大学，2011：33.

[6]孟瑞龙.含大规模风电场的交直流系统相互影响的研究[D].新疆：新疆大学，2014：44-52.

[7]苏黎.高压直流输电对交流系统暂态稳定影响的研究[D].四川：西南交通大学，2008：3-5，44-48.

[8]要航，秦昕，吕思颖，裴旵.高压直流输电的介入对交流电网的影响[J].科技视界，2015，20（185）：247.

[9]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：浙江大学，2012：11-16.

[10]王蓓蓓，杨雪纯，杨胜.基于中长期时间维度的需求响应潜力及效果的系统动力学分析[J].中国电机工程学报，2015，35（24）：6369.

[11]陈庆军.交直流混联连锁故障机理及评估方法研究[D].山东：山东大学，2018：50-51.