交直流互聯送端系統暫態穩定特性剖析與優化控制策略探究一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景隨著經濟的飛速發展和社會用電需求的持續增長，現代電網正朝著大容量、遠距離輸電以及跨區域互聯的方向不斷邁進。交直流互聯系統憑借其獨特的優勢，如直流輸電在長距離大容量輸電方面的高效性、交流輸電在電力分配和互聯方面的靈活性，在現代電網中占據了愈發關鍵的地位。近年來，交直流互聯系統的規模和復雜程度不斷提升，眾多大型交直流輸電工程相繼投入運行，如我國的西電東送工程，多條直流輸電線路與龐大的交流電網相互交織，實現了西部能源基地向東部負荷中心的大規模電力輸送，有力地促進了資源的優化配置。在交直流互聯系統中，送端系統作為電力的起始端，承擔著將發電能源轉換為電能并輸送出去的重要任務。然而，送端系統在運行過程中面臨著諸多挑戰，其中暫態穩定性問題尤為突出。暫態過程是指電力系統受到大擾動（如短路故障、突然甩負荷等）后，從一個穩態過渡到另一個穩態的短暫過程。在這一過程中，系統的電壓、電流、功率等電氣量會發生劇烈變化，如果不能有效控制，可能導致系統失穩，引發大面積停電事故，給社會經濟帶來巨大損失。例如，歷史上曾發生過的一些重大停電事故，如2003年美加聯合電網大停電事故，雖然并非單純由交直流互聯送端系統問題引發，但凸顯了電力系統暫態穩定問題的嚴重性和復雜性。隨著交直流互聯系統的發展，送端系統與直流輸電系統之間的相互作用更加復雜，進一步增加了暫態穩定分析與控制的難度。傳統的交流系統暫態穩定分析方法已難以滿足交直流互聯送端系統的需求，因此，深入研究交直流互聯送端系統的暫態穩定分析與控制策略具有重要的現實意義和緊迫性。1.1.2研究意義對交直流互聯送端系統暫態穩定分析與控制策略的研究，對保障電網安全穩定運行、提高輸電效率和促進電力系統可持續發展具有重要意義。在保障電網安全穩定運行方面，暫態穩定是電力系統安全運行的關鍵指標之一。通過對送端系統暫態穩定性的深入分析，準確識別系統在各種擾動下的穩定薄弱環節，進而制定有效的控制策略，可以有效防止系統在暫態過程中發生功角失穩、電壓崩潰等嚴重事故，確保電網的安全可靠運行，為社會經濟發展提供穩定的電力供應。例如，通過合理配置和優化直流輸電系統的控制參數，能夠在系統發生故障時快速調節功率，維持送端系統的暫態穩定。在提高輸電效率方面，送端系統作為電力輸送的源頭，其運行效率直接影響到整個交直流互聯系統的輸電能力。通過研究暫態穩定控制策略，如采用快速的繼電保護裝置和先進的自動控制技術，可以減少暫態過程中的功率損耗和電壓跌落，提高電力傳輸的效率和質量，實現電力資源的優化配置，降低輸電成本。從促進電力系統可持續發展角度來看，隨著新能源在電力系統中的占比不斷提高，交直流互聯系統在接入新能源方面發揮著重要作用。送端系統往往與新能源發電基地緊密相連，研究其暫態穩定分析與控制策略，能夠更好地適應新能源發電的波動性和間歇性，保障新能源的可靠接入和消納，推動電力系統向綠色、低碳、可持續的方向發展。1.2國內外研究現狀1.2.1國外研究現狀國外在交直流互聯送端系統暫態穩定分析與控制策略方面的研究起步較早，取得了一系列具有重要價值的成果。在暫態穩定分析方法上，隨著電力系統規模和復雜度的不斷增加，傳統的基于同步發電機經典模型的分析方法已難以滿足需求。為此，國外學者提出了多種先進的分析模型。例如，考慮詳細發電機模型和負荷模型的暫態穩定分析方法，能夠更準確地描述系統元件在暫態過程中的動態特性。其中，多機電力系統暫態穩定分析中采用的三階及以上的發電機模型，充分考慮了發電機的電磁暫態和機電暫態過程，對暫態過程中功角、電壓等電氣量的變化模擬更加精確。在負荷模型方面，采用考慮頻率和電壓特性的動態負荷模型，如感應電動機模型與ZIP負荷模型相結合的復合負荷模型，使分析結果更貼近實際運行情況。在控制策略研究領域，先進的控制技術不斷涌現。靈活交流輸電系統（FACTS）技術在交直流互聯送端系統中得到了廣泛研究和應用。以靜止無功補償器（SVC）為例，它能夠快速調節無功功率，維持系統電壓穩定。當送端系統發生故障導致電壓跌落時，SVC可迅速增加無功輸出，提升電壓水平。此外，基于廣域測量系統（WAMS）的協調控制策略成為研究熱點。通過實時采集系統各節點的電壓、電流等信息，利用先進的通信技術和控制算法，實現對送端系統中多個控制器的協調控制，有效提高系統的暫態穩定性。例如，在北美電網的部分交直流互聯區域，利用WAMS實現了直流輸電系統與FACTS裝置的協同控制，顯著增強了系統在故障情況下的穩定性。國外還在智能控制技術在交直流互聯送端系統的應用方面開展了深入研究。如采用神經網絡、模糊控制等智能算法，實現對系統暫態穩定的自適應控制。通過對大量歷史運行數據和實時監測數據的學習，神經網絡控制器能夠準確預測系統的暫態響應，并根據預測結果及時調整控制策略，提高系統的抗干擾能力。1.2.2國內研究現狀國內在交直流互聯送端系統暫態穩定分析與控制策略方面的研究緊密結合國內電網建設的實際需求，取得了豐碩的成果。在暫態穩定分析方面，針對國內大型交直流互聯工程，如“西電東送”工程中復雜的送端系統，國內學者建立了全面考慮交直流系統相互作用的詳細模型。通過對這些模型的仿真分析，深入研究了不同故障類型和運行方式下送端系統的暫態穩定性，揭示了送端系統與直流輸電系統之間復雜的耦合特性。在控制策略應用上，國內針對不同的工程實際情況，制定了一系列有效的控制策略。例如，在南方電網交直流混聯系統中，通過優化直流輸電系統的控制參數，如采用定功率控制與功率緊急提升相結合的控制方式，在系統發生故障時，能夠快速調整直流功率，有效改善送端系統的暫態穩定性。同時，國內大力發展了基于同步相量測量單元（PMU）的暫態穩定控制技術。PMU能夠實時、高精度地測量系統的電壓相量和功角，基于PMU的實時監測數據，實現了快速切機、切負荷等緊急控制策略，保障了送端系統在嚴重故障下的穩定運行。國內研究的重點和特色之一是注重理論研究與工程實踐的緊密結合。針對國內電網結構復雜、負荷增長迅速等特點，研發出一系列適用于實際工程的暫態穩定分析方法和控制策略，并在實際工程中進行驗證和優化。此外，在新能源大規模接入交直流互聯送端系統的背景下，國內積極開展相關研究，探索如何實現新能源與傳統能源在送端系統中的協調運行，提高系統對新能源的消納能力，保障系統的暫態穩定。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本論文的研究內容圍繞交直流互聯送端系統暫態穩定分析與控制策略展開，具體涵蓋以下幾個關鍵方面：交直流互聯送端系統暫態穩定特性分析：詳細剖析送端系統中交流系統與直流系統的相互作用機理，包括直流輸電系統對交流系統暫態過程的影響，如直流功率調制對送端系統功角和電壓穩定性的作用。研究不同運行方式下送端系統的暫態穩定特性，例如在高負荷、低負荷以及新能源接入比例變化等工況下，系統暫態穩定性的變化規律。考慮送端系統中各類元件的動態特性，如發電機的勵磁調節、調速器動作，以及負荷的動態特性對暫態穩定性的影響，建立準確反映系統實際運行情況的暫態穩定分析模型。暫態穩定分析方法研究：對比傳統暫態穩定分析方法在交直流互聯送端系統中的適用性，如時域仿真法、特征值分析法等，分析其在處理復雜交直流系統時的局限性。引入先進的暫態穩定分析方法，如基于廣域測量信息的暫態穩定分析方法，利用同步相量測量單元（PMU）實時獲取的系統廣域信息，實現對送端系統暫態過程的快速、準確分析。探索人工智能技術在暫態穩定分析中的應用，如采用神經網絡、支持向量機等算法，對系統的暫態穩定狀態進行預測和評估，提高分析的智能化水平。暫態穩定控制策略研究：提出適用于交直流互聯送端系統的暫態穩定控制策略，包括直流輸電系統的控制策略優化，如定功率控制、功率緊急提升與回降控制等，以增強系統在故障情況下的穩定性。研究靈活交流輸電系統（FACTS）裝置在送端系統中的應用，如靜止無功補償器（SVC）、晶閘管控制串聯電容器（TCSC）等，分析其對系統暫態電壓和功角穩定的改善效果。探討基于多目標優化的協調控制策略，綜合考慮系統的暫態穩定性、經濟性和可靠性等指標，實現送端系統中多個控制器的協同優化控制。控制策略的仿真驗證與實驗分析：利用電力系統仿真軟件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，搭建交直流互聯送端系統的仿真模型，對所提出的暫態穩定控制策略進行仿真驗證，分析控制策略在不同故障類型和運行方式下的有效性和可靠性。設計并開展物理實驗，搭建小型交直流互聯送端系統實驗平臺，通過實驗進一步驗證控制策略的實際效果，為工程應用提供實驗依據。對仿真和實驗結果進行深入分析，評估控制策略對系統暫態穩定性的提升程度，總結控制策略的優缺點，提出改進方向。實際工程案例分析：選取典型的交直流互聯送端系統實際工程案例，如我國“西電東送”工程中的某送端系統，收集工程實際運行數據和相關資料。基于實際工程數據，對送端系統的暫態穩定性進行分析，驗證所研究的暫態穩定分析方法和控制策略在實際工程中的可行性和實用性。結合實際工程案例，分析影響送端系統暫態穩定的關鍵因素，如電網結構、負荷特性、新能源接入等，為實際工程的運行和優化提供參考建議。1.3.2研究方法本論文綜合運用多種研究方法，以確保研究的全面性、深入性和可靠性，具體研究方法如下：理論分析方法：深入研究交直流互聯送端系統的基本理論，包括電力系統分析、自動控制原理、電力電子技術等相關知識，為后續的研究奠定堅實的理論基礎。對交直流互聯送端系統的暫態穩定特性進行理論推導和分析，建立數學模型，從理論層面揭示系統暫態過程中的物理本質和變化規律。運用控制理論，對暫態穩定控制策略進行設計和優化，分析控制策略的穩定性、魯棒性和控制效果。仿真模擬方法：借助專業的電力系統仿真軟件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，搭建交直流互聯送端系統的詳細仿真模型，模擬系統在各種運行方式和故障情況下的暫態響應。通過仿真實驗，對不同的暫態穩定分析方法和控制策略進行對比研究，分析其優缺點和適用范圍，為策略的優化和選擇提供依據。利用仿真軟件的強大功能，對系統參數進行靈敏度分析，研究各參數對暫態穩定性的影響程度，確定影響系統暫態穩定的關鍵參數。案例研究方法：選取實際的交直流互聯送端系統工程案例，深入分析其電網結構、運行方式、控制策略等實際情況，獲取第一手資料。結合理論分析和仿真結果，對實際工程案例中的暫態穩定問題進行研究，驗證所提出的分析方法和控制策略在實際工程中的應用效果。通過對多個實際案例的研究，總結經驗教訓，為其他類似工程提供借鑒和參考，提高研究成果的實用性和工程應用價值。二、交直流互聯送端系統運行特性分析2.1交直流互聯系統基本結構與原理2.1.1系統組成交直流互聯送端系統主要由交流輸電線路、直流輸電線路、換流站以及各類電源等部分組成。交流輸電線路作為電力傳輸的重要載體，在送端系統中承擔著將發電廠發出的電能進行匯集和初步傳輸的任務。其結構通常呈現出復雜的網絡形態，通過不同電壓等級的變電站相互連接，形成了一個龐大的電力傳輸網絡。例如，在我國的大型送端系統中，存在著500kV、220kV等不同電壓等級的交流輸電線路，這些線路相互交織，將各個發電廠的電能匯聚到關鍵節點，為后續的直流輸電做好準備。交流輸電線路的特點是輸電容量和距離受到一定限制，但其靈活性高，能夠方便地與各類電源和負荷連接，在電力分配和互聯方面發揮著不可或缺的作用。直流輸電線路在交直流互聯送端系統中實現了大容量、遠距離的電力傳輸。其采用直流輸電技術，有效減少了輸電過程中的能量損耗和線路電抗的影響。以我國的特高壓直流輸電工程為例，±800kV的直流輸電線路能夠實現數千公里的電力輸送，將西部送端地區豐富的水電、火電等能源源源不斷地送往東部負荷中心。直流輸電線路一般采用架空線路或電纜線路的形式，其中架空線路具有成本較低、建設方便等優點，適用于長距離輸電；電纜線路則適用于城市電網等對環境要求較高的區域。與交流輸電線路相比，直流輸電線路的輸送容量大、損耗小，特別適合于遠距離大容量輸電，但需要配備專門的換流設備來實現交直流的轉換。換流站是交直流互聯送端系統的核心組成部分，承擔著交流與直流之間電能轉換的關鍵任務。換流站主要包括整流站和逆變站，整流站將交流電能轉換為直流電能，逆變站則將直流電能轉換為交流電能。在整流站中，換流器通過特定的控制策略，將輸入的三相交流電轉換為直流電，常見的換流器類型有晶閘管換流器（LCC）和電壓源換流器（VSC）。LCC具有技術成熟、容量大等優點，但需要消耗大量無功功率，且對交流系統的依賴性較強；VSC則具有響應速度快、能夠獨立控制有功和無功功率等優勢，在新能源接入和分布式發電等領域得到了廣泛應用。逆變站的工作過程與整流站相反，將直流電能轉換為交流電能并接入受端交流電網。換流站還配備有平波電抗器、濾波器等設備，平波電抗器用于平滑直流電流，減少電流波動；濾波器則用于濾除換流過程中產生的諧波，保證電能質量。送端系統中的電源類型豐富多樣，包括傳統的火力發電、水力發電以及新興的風力發電、光伏發電等新能源發電。火力發電是送端系統的重要電源之一，通過燃燒化石燃料產生熱能，進而轉化為電能。火電機組具有出力穩定、調節靈活等特點，能夠在系統中起到支撐和調節作用。例如，在負荷高峰時期，火電機組可以快速增加出力，滿足電力需求；在負荷低谷時期，火電機組可以通過調節出力來維持系統的穩定運行。水力發電利用水流的能量驅動水輪機旋轉，帶動發電機發電。水電具有清潔、可再生等優點，且調節速度較快，在送端系統中能夠與火電等電源形成良好的互補。例如，在豐水期，水電可以充分發揮其發電能力，減少火電的發電份額；在枯水期，火電則可以彌補水電出力的不足。風力發電和光伏發電作為新能源發電形式，近年來在送端系統中的占比不斷提高。風電和光電具有清潔、環保等優勢，但受自然條件影響較大，具有較強的隨機性和間歇性。為了有效利用風電和光電，送端系統需要配備相應的儲能設備和靈活的調度控制策略，以保障電力供應的穩定性和可靠性。2.1.2工作原理交直流互聯系統的工作原理基于交流與直流之間的電能轉換和功率傳輸。在送端系統中，電源發出的交流電首先通過交流輸電線路匯集到換流站的整流側。整流站中的換流器采用特定的控制策略，將三相交流電轉換為直流電。以晶閘管換流器（LCC）為例，其工作原理是利用晶閘管的單向導電性，通過控制晶閘管的觸發角，將交流電壓轉換為直流電壓。在這個過程中，換流器會產生一定的諧波，需要通過濾波器進行濾除，以保證直流電能的質量。經過整流后的直流電能通過直流輸電線路進行遠距離傳輸。直流輸電線路具有損耗小、輸送容量大的優勢，能夠有效地實現電能的跨區域傳輸。在傳輸過程中，直流電流的大小和方向相對穩定，減少了交流輸電中由于電抗和電容引起的能量損耗和電壓波動。當直流電能到達受端換流站的逆變側時，逆變站中的換流器將直流電能轉換為交流電。逆變過程是整流過程的逆過程，同樣通過控制換流器的觸發角，將直流電壓轉換為符合受端交流電網要求的交流電壓。逆變后的交流電通過交流輸電線路接入受端電網，為用戶提供電力。在交直流互聯系統中，功率傳輸的原理是基于兩端的電壓差和線路電阻、電抗等參數。根據歐姆定律和功率公式，直流輸電系統的功率傳輸可以表示為P=UI，其中P為傳輸功率，U為直流電壓，I為直流電流。通過調節換流器的觸發角和直流電壓、電流，可以實現對直流輸電功率的控制。在交流輸電系統中，功率傳輸則受到線路阻抗、電壓相位差等因素的影響，其功率傳輸公式為P=\frac{U_1U_2}{X}\sin\delta，其中U_1、U_2分別為線路兩端的電壓，X為線路電抗，\delta為電壓相位差。通過調整發電機的勵磁、調速器等設備，可以改變交流系統的電壓和相位，從而實現對交流輸電功率的控制。交直流互聯系統中的功率傳輸還涉及到交直流系統之間的相互作用和協調控制。例如，當送端系統發生故障時，直流輸電系統可以通過快速調節功率，來維持系統的穩定性。同時，交流系統也可以通過調整發電機的出力和電壓，來配合直流輸電系統的運行。這種交直流系統之間的協同工作，能夠提高整個互聯系統的運行效率和穩定性。2.2送端系統運行特性2.2.1穩態運行特性在穩態運行條件下，交直流互聯送端系統的電壓、電流和功率等參數呈現出一定的變化規律和特點。送端系統的電壓分布較為穩定，各節點電壓在額定電壓附近波動。通常，靠近電源側的節點電壓相對較高，而遠離電源的節點電壓則會因線路阻抗的影響而略有降低。例如，在某送端系統中，電源附近的500kV變電站母線電壓可能維持在510-515kV之間，而經過數十公里輸電線路后的220kV變電站母線電壓可能在225-230kV左右。這是因為線路電阻和電抗會消耗部分電能，導致電壓降落。電壓降落主要由兩部分組成，一部分是與電流和電阻相關的有功功率引起的電壓降落，另一部分是與電流和電抗相關的無功功率引起的電壓降落。當系統負荷發生變化時，電壓也會相應改變。負荷增加時，無功功率需求增大，若系統無功補償不足，電壓會下降；反之，負荷減小時，電壓可能上升。為了維持電壓穩定，送端系統通常配備有靜止無功補償器（SVC）、同步調相機等無功補償設備，根據系統電壓變化自動調節無功輸出，確保各節點電壓在允許范圍內。送端系統的電流大小和分布與系統的負荷水平和電源出力密切相關。在穩態運行時，電流的流向和大小相對穩定。從電源側流出的電流，經過輸電線路和變電站，流向負荷中心。以某火電廠為例，當機組滿發時，輸出電流會根據電網的潮流分布，按照一定比例分配到不同的輸電線路上。電流的大小還受到輸電線路阻抗的影響，阻抗越大，電流在傳輸過程中的損耗越大，電流值也會相應減小。此外，系統中的諧波電流會對電氣設備產生不良影響，如增加設備的損耗、降低設備的使用壽命等。送端系統中的換流站在運行過程中會產生大量諧波電流，為了抑制諧波，通常會安裝濾波器，將諧波電流限制在允許范圍內。送端系統的功率傳輸在穩態運行時保持平衡，即電源發出的功率等于負荷消耗的功率以及輸電過程中的功率損耗之和。交流系統和直流系統的功率傳輸特性有所不同。在交流系統中，功率傳輸受到線路電抗、電壓相位差等因素的影響，其功率傳輸公式為P=\frac{U_1U_2}{X}\sin\delta，其中U_1、U_2分別為線路兩端的電壓，X為線路電抗，\delta為電壓相位差。通過調整發電機的勵磁、調速器等設備，可以改變交流系統的電壓和相位，從而實現對交流輸電功率的控制。在直流系統中，功率傳輸相對較為簡單，主要通過調節換流器的觸發角來控制直流電壓和電流，進而實現功率的調節，其功率傳輸公式為P=UI，其中P為傳輸功率，U為直流電壓，I為直流電流。送端系統中的功率因數也是一個重要指標，它反映了系統中有功功率與視在功率的比值。提高功率因數可以減少無功功率的傳輸，降低線路損耗，提高電力系統的運行效率。為了提高功率因數，送端系統通常會采取一些措施，如合理配置無功補償設備、優化電網運行方式等。2.2.2動態運行特性當送端系統受到擾動時，其動態響應特性會發生顯著變化，功率振蕩和電壓波動是其中較為突出的現象。功率振蕩是送端系統在受到擾動后的常見動態響應。當系統發生故障，如輸電線路短路、發電機跳閘等，系統的功率平衡會被打破，從而引發功率振蕩。這種振蕩表現為功率的周期性波動，其頻率一般在低頻段（0.1-2.5Hz），可分為局部振蕩模式（0.7-2.5Hz）和區間振蕩模式（0.1-0.7Hz）。局部振蕩模式通常是電氣距離近的幾臺發電機與系統內的其余發電機之間的振蕩，而區間振蕩模式則是系統的一部分機群相對于另一部分機群的振蕩。例如，在某交直流互聯送端系統中，當一條重要輸電線路發生短路故障時，送端發電機的輸出功率會瞬間下降，而受端負荷需求不變，這就導致系統出現功率不平衡，引發功率振蕩。功率振蕩的產生機制較為復雜，主要與系統的阻尼特性、發電機的慣性、輸電線路的電抗等因素有關。系統的阻尼不足會使振蕩難以衰減，持續時間較長，嚴重時可能導致系統失穩。為了抑制功率振蕩，通常會采用一些控制措施，如在直流輸電系統中加入附加阻尼控制，通過調節直流功率來提供額外的阻尼，抑制振蕩。此外，采用先進的電力系統穩定器（PSS）也可以有效地提高系統的阻尼，增強系統的穩定性。電壓波動也是送端系統在動態過程中的重要表現。擾動發生時，系統的電壓會出現快速變化，可能導致電壓跌落或過電壓。當送端系統發生短路故障時，短路點附近的電壓會急劇下降，形成電壓凹陷，影響附近電氣設備的正常運行。而在故障切除后，由于系統的暫態過程，電壓可能會出現過沖，超過額定電壓的允許范圍。例如，在某送端系統中，當一臺大容量發電機突然跳閘時，系統的無功功率平衡被打破，導致電壓急劇下降。如果此時系統的無功補償設備不能及時投入，電壓可能會持續下降，引發電壓崩潰。電壓波動的原因主要包括短路故障、負荷突變、發電機勵磁調節等。短路故障會使系統的阻抗發生變化，導致電壓驟變；負荷突變會引起系統功率需求的突然改變，進而影響電壓；發電機勵磁調節系統的響應速度和調節精度也會對電壓波動產生重要影響。為了應對電壓波動，送端系統通常會配備快速響應的無功補償裝置，如靜止無功發生器（SVG），在電壓波動時能夠快速調節無功輸出，穩定電壓。同時，優化發電機的勵磁控制策略，提高其響應速度和調節精度，也可以有效減小電壓波動的幅度。2.3影響送端系統運行特性的因素2.3.1直流輸電參數直流輸電的電壓、電流、功率等參數對送端系統運行特性有著顯著影響。直流電壓作為直流輸電的關鍵參數之一，其大小直接關系到輸電容量和輸電距離。根據功率傳輸公式P=UI（其中P為傳輸功率，U為直流電壓，I為直流電流），在電流一定的情況下，直流電壓越高，輸電功率越大。例如，在某交直流互聯送端系統中，當直流電壓從±500kV提升至±800kV時，輸電功率可大幅提升。較高的直流電壓能夠降低輸電線路中的電流，從而減少線路電阻引起的功率損耗，提高輸電效率。但直流電壓的提升也會帶來一系列問題，如對換流設備的絕緣要求提高，設備成本增加。同時，過高的直流電壓在系統故障時可能導致過電壓問題更加嚴重，對系統的絕緣配合和保護裝置提出了更高的挑戰。直流電流的大小和變化同樣對送端系統運行特性產生重要影響。直流電流的變化會引起換流站設備的發熱和電磁應力的改變。當直流電流增大時，換流站中的晶閘管、電抗器等設備的損耗增加，溫度升高，需要更強大的冷卻系統來保證設備的正常運行。直流電流的波動還可能引發諧波問題。換流站在運行過程中會產生諧波電流，這些諧波電流注入交流系統后，會對系統中的電氣設備造成不良影響，如增加變壓器的損耗、引起電機振動等。為了抑制諧波，通常需要在換流站中安裝濾波器，而直流電流的波動會影響濾波器的性能，需要對濾波器的參數進行合理設計和調整。直流輸電功率的調節對送端系統的穩定性至關重要。在送端系統發生故障或負荷變化時，需要快速調節直流輸電功率，以維持系統的功率平衡和穩定性。例如，當送端系統出現短路故障時，直流輸電系統可以通過快速降低功率，減少故障電流的沖擊，為故障切除和系統恢復創造條件。而在負荷突然增加時，直流輸電系統可以迅速增加功率輸出，滿足負荷需求。直流輸電功率的調節速度和精度受到控制策略和設備性能的制約。先進的控制策略，如基于模型預測控制的直流功率調節方法，能夠根據系統的實時狀態和預測信息，快速準確地調節直流功率，提高系統的暫態穩定性。同時，高性能的換流設備，如采用新型電力電子器件的換流器，能夠實現更快的功率調節速度和更高的調節精度。2.3.2交流系統結構交流系統的網架結構、短路容量等因素對送端系統運行特性起著關鍵作用。網架結構的合理性直接影響送端系統的輸電能力和穩定性。在一個結構合理的交流電網中，輸電線路布局均勻，節點之間的電氣聯系緊密，能夠有效地實現功率的傳輸和分配。例如，在某送端系統中，采用了網格化的網架結構，多條輸電線路相互連接，形成了冗余度較高的輸電網絡。當某條線路發生故障時，功率可以通過其他線路進行轉移，減少了對系統運行的影響。相反，若網架結構薄弱，如存在輸電線路過長、輸電斷面狹窄等問題，會導致輸電能力受限，系統穩定性降低。在長距離輸電線路中，由于線路電抗較大，會產生較大的電壓降落和功率損耗，影響系統的輸電效率和穩定性。輸電斷面狹窄則容易在負荷高峰或故障情況下出現功率阻塞，導致系統運行困難。為了改善網架結構，通常需要進行電網規劃和建設，增加輸電線路、優化變電站布局，提高電網的輸電能力和可靠性。短路容量是衡量交流系統強弱的重要指標，它反映了系統在短路故障時提供短路電流的能力。短路容量越大，交流系統對擾動的承受能力越強，送端系統的穩定性越高。當送端系統發生短路故障時，短路容量大的交流系統能夠提供足夠的短路電流，使保護裝置能夠快速動作，切除故障。同時，較大的短路容量還可以減小故障對系統電壓的影響，降低電壓跌落的幅度。例如，在某送端系統中，通過加強電網建設，提高了系統的短路容量，當發生短路故障時，系統的電壓能夠迅速恢復，發電機的功角也能保持穩定。而短路容量較小的交流系統，在面對故障時可能出現電壓崩潰、發電機失步等問題。為了提高交流系統的短路容量，可以采取增加電源接入、加強電網互聯等措施。2.3.3控制策略不同的控制策略對送端系統運行特性的調節和影響至關重要。直流輸電系統的控制策略對送端系統的穩定性和功率調節起著關鍵作用。定功率控制是直流輸電系統常用的控制策略之一，它通過調節換流器的觸發角，使直流輸電功率保持恒定。在送端系統負荷穩定的情況下，定功率控制能夠保證直流輸電功率的穩定輸出，維持系統的功率平衡。但當送端系統發生故障或負荷變化時，定功率控制可能無法及時響應，導致系統穩定性下降。為了應對這種情況，功率緊急提升與回降控制策略應運而生。當送端系統出現故障或受端系統需求增加時，直流輸電系統可以快速提升功率，提供緊急支援；當系統恢復正常后，再逐漸回降功率，避免功率沖擊。例如，在某交直流互聯送端系統中，當受端系統發生嚴重故障導致功率短缺時，直流輸電系統通過功率緊急提升控制，迅速增加功率輸出，緩解了受端系統的功率危機，保障了系統的穩定運行。靈活交流輸電系統（FACTS）裝置的控制策略也能有效改善送端系統的運行特性。靜止無功補償器（SVC）通過調節其輸出的無功功率，能夠快速穩定送端系統的電壓。當送端系統電壓下降時，SVC可以迅速增加無功輸出，提高電壓水平；當電壓過高時，SVC則減少無功輸出，使電壓恢復正常。晶閘管控制串聯電容器（TCSC）通過調節串聯電容的容抗，改變輸電線路的電抗，從而實現對輸電功率的靈活調節。在送端系統中，TCSC可以根據系統的需要，快速調整輸電功率，提高系統的輸電能力和穩定性。例如，在某送端系統中，安裝了TCSC裝置后，在負荷高峰時期，通過調節TCSC的容抗，增加了輸電線路的傳輸功率，滿足了負荷需求。基于多目標優化的協調控制策略能夠綜合考慮系統的暫態穩定性、經濟性和可靠性等指標，實現送端系統中多個控制器的協同優化控制。在這種策略下，通過建立多目標優化模型，將系統的多個性能指標轉化為目標函數，然后采用優化算法求解，得到最優的控制參數。例如，在某交直流互聯送端系統中，將直流輸電系統的功率調節、SVC的無功補償以及發電機的勵磁調節等多個控制環節納入多目標優化模型，通過優化算法得到各個控制器的最優控制參數，使系統在暫態穩定性、經濟性和可靠性等方面都得到了顯著提升。三、交直流互聯送端系統暫態穩定分析方法3.1暫態穩定的基本概念與判據3.1.1暫態穩定的定義交直流互聯送端系統暫態穩定，指的是在系統遭受諸如短路故障、突然甩負荷、開關操作等大擾動后，各發電機能夠保持同步運行，并順利過渡到新的穩定運行狀態，或恢復到原來穩定運行狀態的能力。在交直流互聯送端系統中，大擾動的發生會使系統的運行狀態瞬間改變，各元件的電磁和機電過程變得異常復雜。以短路故障為例，短路瞬間會導致電流急劇增大，電壓大幅下降，送端系統中的發電機輸出功率瞬間改變，轉子的轉速和角度也會隨之變化。如果系統能夠在這種劇烈的變化中，通過各元件的相互作用和控制策略的調節，使發電機之間的相對角度保持在一定范圍內，避免出現失步現象，并且系統的電壓、電流等電氣量能夠逐漸恢復穩定，那么就認為該系統保持了暫態穩定。反之，如果發電機之間失去同步，出現持續的振蕩或失步，或者系統的電壓崩潰無法恢復，導致系統無法正常供電，就表明系統失去了暫態穩定。暫態穩定是電力系統安全穩定運行的關鍵指標之一，其內涵不僅涉及到發電機的同步運行問題，還與系統的電壓穩定性、頻率穩定性密切相關。在交直流互聯送端系統中，由于直流輸電系統的存在，其與交流系統之間的相互作用進一步增加了暫態穩定問題的復雜性。直流輸電系統的快速調節特性既可以在系統擾動時提供快速的功率支持，幫助系統維持穩定；但在某些情況下，也可能引發新的不穩定因素，如直流換相失敗可能導致交流系統電壓大幅波動，影響系統的暫態穩定性。因此，深入理解交直流互聯送端系統暫態穩定的定義和內涵，對于保障系統的安全穩定運行至關重要。3.1.2暫態穩定判據功角判據：功角判據是暫態穩定分析中最常用的判據之一，它基于發電機轉子運動方程和功率平衡關系。在電力系統中，發電機的功角\delta是指發電機電動勢與無窮大母線電壓之間的相角差，它反映了發電機轉子的位置和系統的運行狀態。當系統受到大擾動后，發電機的電磁功率P_e和機械功率P_m會發生變化，導致轉子加速或減速，功角隨之改變。如果在擾動后的一段時間內，功角\delta能夠經過振蕩后逐漸趨于穩定，即\lim_{t\to\infty}\delta(t)存在且為有限值，同時各發電機之間的相對功角保持在一定范圍內，不超過允許的極限值，則認為系統保持暫態穩定。例如，在單機無窮大系統中，當系統發生短路故障時，發電機的電磁功率瞬間下降，機械功率大于電磁功率，轉子加速，功角增大。如果在故障切除后，電磁功率能夠逐漸恢復，且在后續的振蕩過程中，功角的最大值不超過臨界值，系統最終能夠恢復穩定運行，就說明系統滿足功角判據，保持了暫態穩定。反之，如果功角不斷增大，超過了極限值，發電機之間失去同步，系統將失去暫態穩定。功角判據直觀地反映了發電機之間的同步運行情況，是判斷系統暫態穩定的重要依據。電壓判據：電壓判據主要關注系統在擾動后各節點電壓的變化情況。在暫態過程中，系統的電壓穩定性對系統的安全運行至關重要。當系統受到大擾動時，可能會出現電壓跌落、電壓振蕩甚至電壓崩潰等現象。如果系統中各節點電壓在擾動后能夠保持在一定的合理范圍內，不低于最低允許電壓值，并且能夠在一定時間內恢復到接近額定電壓的水平，則認為系統滿足電壓判據，保持暫態穩定。例如，在某交直流互聯送端系統中，當發生短路故障時，故障點附近的節點電壓會急劇下降。若此時系統能夠通過自動調節裝置，如快速投入無功補償設備、調整發電機勵磁等措施，使電壓在短時間內恢復到允許范圍內，避免出現電壓持續下降導致的電壓崩潰現象，就說明系統滿足電壓判據，維持了暫態穩定。電壓判據從電壓的角度衡量了系統的暫態穩定性，對于防止系統因電壓問題而失去穩定具有重要意義。能量判據：能量判據基于系統的能量守恒原理，通過分析系統在暫態過程中的能量變化來判斷系統的穩定性。在電力系統中，發電機在運行過程中具有一定的動能和勢能，當系統受到擾動時，能量會在發電機、輸電線路和負荷等元件之間進行轉換。能量判據認為，若系統在擾動后的總能量變化能夠被系統自身所吸收和消耗，使得系統的能量最終趨于穩定，即系統的總能量在擾動后不會無限增大，則系統保持暫態穩定。以單機無窮大系統為例，當系統發生故障時，發電機的動能會因電磁功率和機械功率的不平衡而發生變化。如果在故障切除后，系統能夠通過各種阻尼機制，如發電機的機械阻尼、輸電線路的電阻損耗等，將多余的能量消耗掉，使發電機的動能逐漸恢復到穩定狀態，系統的總能量也趨于穩定，那么系統滿足能量判據，保持暫態穩定。能量判據從能量的宏觀角度對系統的暫態穩定性進行判斷，為暫態穩定分析提供了一種新的思路和方法。3.2暫態穩定分析的數學模型3.2.1交流系統模型交流系統模型是暫態穩定分析的基礎，其涵蓋了發電機、變壓器、輸電線路等關鍵元件的模型，這些模型精確地反映了元件的電氣特性和動態行為，對于準確分析系統的暫態穩定性起著至關重要的作用。發電機是交流系統的核心電源元件，其模型的準確性直接影響暫態穩定分析的結果。常用的發電機模型包括經典模型、考慮暫態電勢變化的模型以及更為詳細的計及勵磁系統和調速系統動態特性的模型。經典模型將發電機視為一個具有恒定電勢和電抗的等值電源，其數學表達式為E=jX_dI+U，其中E為發電機電動勢，X_d為發電機直軸同步電抗，I為發電機電流，U為發電機端電壓。這種模型在簡單系統的暫態穩定分析中具有一定的應用價值，能夠快速得出系統的大致運行狀態，但由于其忽略了發電機內部的電磁暫態過程和調節系統的動態特性，在復雜系統中分析精度有限。考慮暫態電勢變化的模型，如E'=jX_d'I+U，其中E'為暫態電勢，X_d'為暫態電抗，該模型考慮了發電機在暫態過程中暫態電勢的變化，能夠更準確地描述發電機的動態行為。而計及勵磁系統和調速系統動態特性的模型則更加全面，勵磁系統模型可表示為\frac{dE_f}{dt}=\frac{1}{T_e}(E_{fd}-E_f)，其中E_f為勵磁電動勢，T_e為勵磁時間常數，E_{fd}為勵磁電壓；調速系統模型可表示為\frac{dP_m}{dt}=\frac{1}{T_t}(P_{ref}-P_m)，其中P_m為機械功率，T_t為調速器時間常數，P_{ref}為參考功率。通過這些模型，可以充分考慮勵磁系統和調速系統對發電機輸出功率和轉速的調節作用，從而更精確地分析系統的暫態穩定性。變壓器作為交流系統中實現電壓變換和電能傳輸的重要設備，其模型主要基于電磁感應原理建立。在暫態穩定分析中，通常采用\pi型等值電路來表示變壓器，該等值電路包括串聯電阻R_T、串聯電抗X_T和并聯導納Y_T。通過這些參數，可以描述變壓器在暫態過程中的電壓降落、功率損耗以及電磁暫態特性。例如，在分析變壓器在短路故障后的暫態響應時，需要考慮其漏抗和繞組電阻對電流和電壓的影響，\pi型等值電路能夠有效地反映這些特性，為暫態穩定分析提供準確的變壓器模型。輸電線路是交流系統中電能傳輸的關鍵環節，其模型主要考慮線路的電阻、電抗、電導和電納等參數。對于短線路（長度小于100km），通常采用集中參數模型，其數學表達式為U_2=U_1-(R+jX)I，其中U_1和U_2分別為線路兩端的電壓，R為線路電阻，X為線路電抗，I為線路電流。對于中等長度線路（100-300km），則采用\pi型等值電路模型，該模型考慮了線路的分布參數特性，能夠更準確地描述線路的電氣特性。對于長線路（大于300km），由于其分布參數特性更為顯著，需要采用分布參數模型進行分析。此外，在暫態穩定分析中，還需要考慮線路的電容效應和電磁暫態過程，例如在分析線路遭受雷擊等暫態過程時，線路的電容和電感會產生復雜的電磁暫態響應，需要通過精確的數學模型進行描述。3.2.2直流系統模型直流系統模型是交直流互聯送端系統暫態穩定分析的重要組成部分，它主要包括換流器、直流線路等元件的模型，同時需要充分考慮換相失敗等特殊情況，以確保模型的準確性和全面性。換流器是直流系統的核心元件，實現了交流與直流之間的電能轉換。常見的換流器模型有晶閘管換流器（LCC）和電壓源換流器（VSC）。LCC模型基于晶閘管的半控特性，通過控制晶閘管的觸發角來實現交直流轉換。以三相全波橋式LCC為例，其整流側的數學模型可表示為U_d=\frac{3\sqrt{2}}{\pi}U_2\cos\alpha-\frac{3}{\pi}X_cI_d，其中U_d為直流電壓，U_2為交流側線電壓有效值，\alpha為觸發角，X_c為換相電抗，I_d為直流電流；逆變側的數學模型為U_d=\frac{3\sqrt{2}}{\pi}U_2\cos\beta+\frac{3}{\pi}X_cI_d，其中\beta為逆變角。在實際運行中，LCC需要消耗大量無功功率，且對交流系統的依賴性較強，容易受到交流系統電壓波動和故障的影響。VSC模型則基于全控型電力電子器件，如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），具有響應速度快、能夠獨立控制有功和無功功率等優點。VSC的數學模型通常采用基于瞬時值的狀態空間模型，通過建立交流側和直流側的電壓、電流方程來描述其動態特性。例如，在dq坐標系下，VSC交流側的電壓方程為u_d=L\frac{di_d}{dt}-\omegaLi_q+Ri_d+e_d，u_q=L\frac{di_q}{dt}+\omegaLi_d+Ri_q+e_q，其中u_d、u_q為dq坐標系下的交流側電壓分量，i_d、i_q為dq坐標系下的交流側電流分量，L為濾波電感，\omega為角頻率，R為電阻，e_d、e_q為VSC輸出的電壓分量；直流側的電壓方程為C\frac{dU_d}{dt}=I_{dc}-I_d，其中C為直流側電容，U_d為直流側電壓，I_{dc}為直流側電流，I_d為流入VSC的直流電流。直流線路模型主要考慮線路的電阻、電感和電容等參數，其數學模型通常采用分布參數模型或集中參數模型。對于長距離直流輸電線路，由于其分布參數特性明顯，采用分布參數模型能夠更準確地描述線路的電氣特性。分布參數模型將直流線路視為由無數個微小的線段組成，每個線段都具有電阻、電感和電容，通過建立微分方程來描述線路上的電壓和電流分布。例如，直流線路的電報方程為\frac{\partialu}{\partialx}=-Ri-L\frac{\partiali}{\partialt}，\frac{\partiali}{\partialx}=-Gu-C\frac{\partialu}{\partialt}，其中u為線路電壓，i為線路電流，x為線路長度，R為單位長度電阻，L為單位長度電感，G為單位長度電導，C為單位長度電容。對于較短的直流線路，可采用集中參數模型進行簡化分析，集中參數模型將線路的電阻、電感和電容集中起來，用一個等效的電路元件來表示。換相失敗是直流輸電系統中一種常見且嚴重的故障現象，對暫態穩定分析有著重要影響。換相失敗是指在逆變過程中，由于交流系統電壓過低、故障或換流器控制異常等原因，導致換流器無法正常完成換相，使直流電流倒灌進入交流系統的現象。在建立直流系統模型時，需要考慮換相失敗的影響因素，如換相裕度角、交流系統電壓幅值和相位等。換相裕度角\gamma是衡量換相是否成功的重要指標，其與觸發角\beta、換相角\mu之間的關系為\gamma=\pi-\beta-\mu。當換相裕度角小于一定值時，就可能發生換相失敗。在分析換相失敗對暫態穩定的影響時，需要考慮換相失敗后直流系統的電壓、電流變化，以及對交流系統的沖擊。例如，換相失敗會導致直流電壓下降、直流電流增大，可能引發交流系統電壓波動和功率振蕩，嚴重時甚至會導致系統失穩。3.2.3交直流混合模型將交流系統模型和直流系統模型相結合，構建交直流混合系統的數學模型，是準確分析交直流互聯送端系統暫態穩定性的關鍵。在交直流混合模型中，交流系統和直流系統通過換流站實現電氣連接，兩者之間存在著復雜的功率交互和電磁耦合關系。為了建立準確的交直流混合模型，需要充分考慮這種交互和耦合特性。從功率交互的角度來看，直流輸電系統的功率調節會直接影響交流系統的功率平衡。當直流輸電功率發生變化時，送端交流系統的發電功率和負荷功率需要相應調整，以維持系統的穩定運行。例如，當直流輸電系統增加功率輸出時，送端交流系統的發電機需要增加出力，或者減少負荷需求，否則會導致系統功率不平衡，引發頻率和電壓波動。從電磁耦合的角度來看，換流站中的換流器在運行過程中會產生諧波電流和電壓，這些諧波會注入交流系統，影響交流系統的電能質量和暫態穩定性。同時，交流系統的電壓波動和故障也會對換流器的正常運行產生影響，可能導致換相失敗等問題。在建立交直流混合模型時，通常采用節點電壓法或回路電流法。以節點電壓法為例，首先將交流系統和直流系統中的節點進行統一編號，然后根據基爾霍夫電流定律和電壓定律，建立節點電壓方程。對于交流系統部分，節點電壓方程可表示為\sum_{j=1}^{n}Y_{ij}U_j=I_i，其中Y_{ij}為節點i和j之間的導納，U_j為節點j的電壓，I_i為流入節點i的電流。對于直流系統部分，根據換流器和直流線路的模型，建立相應的電壓和電流方程，并將其與交流系統的節點電壓方程聯立求解。在求解過程中，需要考慮換流站的換相過程、功率調節特性以及交流系統和直流系統之間的功率交互和電磁耦合關系。例如，在考慮換相失敗的情況下，需要在模型中加入換相失敗的判斷條件和相應的處理方法，當檢測到換相失敗時，調整換流器的控制策略和模型參數，以準確反映系統的運行狀態。3.3暫態穩定分析方法分類與比較3.3.1時域仿真法時域仿真法是交直流互聯送端系統暫態穩定分析中最為常用的方法之一，其原理基于電力系統的基本元件模型和網絡拓撲結構，通過求解描述系統動態過程的微分方程和代數方程，來模擬系統在受到大擾動后的暫態響應。具體步驟如下：首先，根據系統的實際情況，建立詳細的元件模型，包括發電機、變壓器、輸電線路、負荷以及直流輸電系統中的換流器、直流線路等。這些模型準確地反映了元件的電氣特性和動態行為，例如發電機的勵磁系統和調速系統的動態特性、換流器的換相過程等。其次，根據系統的網絡拓撲結構，建立節點電壓方程和回路電流方程，將各個元件模型有機地聯系起來。然后，利用數值積分方法，如改進歐拉法、龍格-庫塔法等，對建立的微分方程和代數方程進行求解，逐步計算出系統在不同時刻的狀態變量，如節點電壓、支路電流、發電機功角等。在計算過程中，需要考慮系統的初始條件，包括系統在擾動前的穩態運行狀態以及擾動的類型和發生時刻。通過對這些狀態變量隨時間變化的分析，來判斷系統的暫態穩定性。在交直流互聯送端系統暫態穩定分析中，時域仿真法具有顯著的優點。它能夠全面考慮系統中各種非線性因素和復雜的元件特性，如發電機的飽和特性、換流器的非線性換相過程等。通過詳細的元件模型和準確的數學描述，能夠精確地模擬系統在暫態過程中的動態行為，為分析人員提供豐富的信息，包括系統中各節點的電壓和電流的時域波形、發電機的功角變化曲線、功率振蕩的頻率和阻尼等。這使得分析人員能夠深入了解系統在不同擾動下的暫態響應，準確判斷系統的穩定狀態。例如，在研究送端系統中直流輸電線路故障對系統暫態穩定性的影響時，時域仿真法可以詳細模擬故障發生后直流系統的功率調節過程、換流器的換相失敗情況以及交流系統的電壓和功角波動，從而為制定有效的控制策略提供依據。然而，時域仿真法也存在一些不足之處。由于需要對大量的微分方程和代數方程進行求解，計算量巨大，計算時間長。特別是對于大規模的交直流互聯送端系統，包含眾多的發電機、輸電線路和復雜的控制裝置，計算量會呈指數級增長。這使得在實際應用中，時域仿真法的計算效率較低，難以滿足實時分析和快速決策的需求。時域仿真法的計算結果對初始條件的設定較為敏感，不同的初始條件可能會導致計算結果的較大差異。在實際系統中，準確獲取系統的初始條件存在一定困難，這也給時域仿真法的應用帶來了一定的不確定性。時域仿真法難以考慮全系統的頻率響應，在分析系統的頻率穩定性方面存在一定的局限性。3.3.2頻域分析法頻域分析法的基本思想是將電力系統的動態過程從時域轉換到頻域進行分析，通過研究系統的頻率特性來評估系統的暫態穩定性。在頻域分析法中，首先對描述電力系統動態過程的微分方程進行拉普拉斯變換，將其轉化為復頻域的代數方程。然后，求解這些代數方程，得到系統的傳遞函數或頻率響應函數。傳遞函數描述了系統輸入與輸出之間的關系，反映了系統對不同頻率信號的響應特性。通過分析傳遞函數的極點和零點分布，可以了解系統的穩定性和動態特性。極點決定了系統的固有頻率和阻尼特性，零點則影響系統的響應形態。如果系統的所有極點都位于復平面的左半平面，說明系統是穩定的；反之，如果存在極點位于復平面的右半平面，則系統是不穩定的。在交直流互聯送端系統中，頻域分析法對于分析系統的振蕩特性具有重要作用。系統中的功率振蕩和電壓振蕩往往具有特定的頻率成分，通過頻域分析可以準確地識別這些振蕩頻率，并研究其產生機制和影響因素。例如，通過計算系統的頻率響應函數，可以確定系統在不同頻率下的增益和相位特性，從而判斷系統在哪些頻率下容易發生振蕩以及振蕩的強度。這對于制定有效的振蕩抑制策略具有重要指導意義。頻域分析法還可以用于分析系統中不同元件之間的相互作用，通過研究不同元件的頻率特性之間的關系，揭示系統中復雜的耦合現象。頻域分析法也存在一定的局限性。它主要適用于線性系統的分析，對于交直流互聯送端系統中存在的大量非線性元件，如發電機的勵磁系統、換流器等，頻域分析法需要進行線性化處理，這可能會導致分析結果的誤差。在實際系統中，由于各種干擾和不確定性因素的存在，系統的參數可能會發生變化，而頻域分析法難以考慮這些參數的時變特性，從而影響分析結果的準確性。頻域分析法通常只能提供系統的頻域特性信息，對于系統在時域中的具體動態響應過程，如電壓和電流的波形變化、功角的實時變化等，無法給出直觀的描述。3.3.3能量函數法能量函數法的理論基礎是系統的能量守恒原理，其核心思想是通過構造一個能夠反映系統暫態過程中能量變化的能量函數，來評估系統的暫態穩定性。在電力系統中，發電機在運行過程中具有動能和勢能，當系統受到擾動時，能量會在發電機、輸電線路和負荷等元件之間進行轉換。能量函數法通過分析系統在暫態過程中的能量變化情況，判斷系統是否能夠保持穩定。如果系統在擾動后的總能量能夠逐漸趨于穩定，即能量函數的導數在某個時刻之后小于零，表明系統能夠消耗多余的能量，恢復到穩定狀態，則系統保持暫態穩定；反之，如果能量函數的導數始終大于零，系統的總能量不斷增加，表明系統無法消耗多余的能量，將失去暫態穩定。能量函數法的分析過程主要包括以下幾個步驟：首先，根據電力系統的元件模型和網絡結構，建立系統的數學模型，包括發電機的轉子運動方程、電磁功率方程以及網絡的節點電壓方程等。然后，基于這些數學模型，構造系統的能量函數。能量函數通常由動能項、勢能項和耗散能項組成，動能項反映發電機轉子的動能，勢能項反映系統中電磁能量的變化，耗散能項則考慮系統中各種能量損耗，如電阻損耗、機械阻尼等。通過對能量函數進行求導，得到能量函數的導數表達式。根據能量函數導數的正負性來判斷系統的暫態穩定性。在實際應用中，還可以通過計算能量裕度等指標，來定量評估系統的暫態穩定程度。在暫態穩定評估中，能量函數法具有獨特的優勢。它能夠從能量的宏觀角度對系統的暫態穩定性進行分析，提供了一種直觀、物理意義明確的評估方法。相比于其他分析方法，能量函數法能夠更全面地考慮系統中各種能量轉換和相互作用，對于理解系統的暫態穩定機理具有重要幫助。能量函數法可以快速地給出系統的穩定判據，不需要像時域仿真法那樣進行大量的數值計算，計算效率較高。這使得在對系統進行初步評估和快速決策時，能量函數法具有很大的應用價值。能量函數法在實際應用中也面臨一些難點。構造準確有效的能量函數是能量函數法的關鍵，但對于復雜的交直流互聯送端系統，由于系統中存在多種元件和復雜的控制策略，能量函數的構造較為困難，需要綜合考慮各種因素，確保能量函數能夠準確反映系統的能量變化。能量函數法通常需要對系統進行一定的簡化和假設，這可能會導致分析結果與實際系統存在一定的偏差。在實際系統中，由于測量誤差、模型不確定性等因素的影響，能量函數法的應用也受到一定的限制。四、交直流互聯送端系統暫態穩定影響因素分析4.1直流輸電故障對暫態穩定的影響4.1.1直流線路故障直流線路故障是影響交直流互聯送端系統暫態穩定的重要因素之一，其中短路和斷線故障較為常見，它們對系統的功率波動和電壓變化產生顯著影響。當直流線路發生短路故障時，故障點處的電阻急劇減小，電流瞬間大幅增大。這會導致直流輸電系統的功率傳輸發生劇烈變化，原本穩定傳輸的功率會出現嚴重的波動。由于短路電流的沖擊，直流系統的功率會迅速下降，甚至可能降為零。以某交直流互聯送端系統為例，當直流線路發生短路故障時，直流功率在短時間內從額定值驟降至接近零，這使得送端系統的功率平衡被打破。為了維持系統的功率平衡，送端交流系統的發電機需要快速調整出力，但由于發電機的調節存在一定的慣性和延遲，在這個過程中，系統會出現功率振蕩，嚴重時可能導致發電機失步，影響系統的暫態穩定。短路故障還會對送端系統的電壓產生嚴重影響。故障點附近的電壓會急劇下降，形成電壓凹陷。這是因為短路電流的增大導致線路上的電壓降落增大，使得故障點周圍的節點電壓大幅降低。電壓凹陷不僅會影響附近電氣設備的正常運行，如導致電動機轉速下降、照明設備變暗等，還可能引發連鎖反應，使系統中其他部分的電壓也出現波動。如果系統的無功補償能力不足，電壓可能會持續下降，引發電壓崩潰，導致系統失去暫態穩定。直流線路斷線故障同樣會對送端系統暫態穩定產生不利影響。斷線故障會使直流輸電線路的電氣連接中斷，導致直流電流突然變為零，直流功率無法正常傳輸。送端系統的功率平衡再次被破壞，發電機的出力與負荷需求之間出現失衡。為了彌補功率缺額，送端交流系統的發電機需要增加出力，這可能導致發電機的轉子加速，功角增大。如果功角超過了穩定極限，發電機將失去同步，系統發生失步振蕩。斷線故障還可能導致送端系統的電壓升高，這是因為系統中的無功功率分布發生了變化，部分節點的無功功率過剩，從而引起電壓上升。過高的電壓會對電氣設備的絕緣造成威脅，增加設備損壞的風險。4.1.2換流器故障換流器故障在交直流互聯送端系統中較為常見，換相失敗和元件損壞是其中典型的故障形式，它們對送端系統暫態穩定的作用復雜，可能引發連鎖反應，嚴重威脅系統的安全運行。換相失敗是換流器故障中較為突出的問題，其發生機制與交流系統電壓、觸發角等因素密切相關。在正常運行時，換流器通過控制晶閘管的觸發角，實現交流與直流之間的電能轉換。然而，當交流系統電壓下降、觸發角異常或存在諧波干擾時，可能導致換相失敗。例如，當交流系統發生短路故障時，交流電壓會急劇下降，使得換流器的換相電壓不足，無法正常完成換相過程。換相失敗會導致直流電流急劇增大，直流電壓下降，嚴重影響直流輸電系統的功率傳輸。在送端系統中，換相失敗會使直流輸電功率瞬間減少，送端交流系統的功率平衡被打破，發電機的電磁功率與機械功率失衡，導致發電機轉子加速，功角增大。如果功角持續增大超過穩定極限，發電機將失去同步，引發系統失步振蕩。換相失敗還會導致交流系統的電壓波動和無功功率不平衡，進一步影響系統的暫態穩定。由于換相失敗時直流電流的急劇變化，會在交流系統中產生諧波電流，這些諧波電流會注入交流電網，影響電網的電能質量，導致電氣設備發熱、振動等問題，甚至可能引發繼電保護裝置的誤動作。換流器元件損壞也是影響送端系統暫態穩定的重要因素。換流器由眾多的晶閘管、二極管等元件組成，這些元件在長期運行過程中，可能由于過電壓、過電流、過熱等原因而損壞。當某個元件損壞時，會導致換流器的工作狀態發生改變，影響其正常的電能轉換功能。例如，若晶閘管發生擊穿短路，會使換流器的換相過程異常，導致直流電流和電壓的波動。這種波動會通過直流輸電線路傳遞到送端系統，引起送端系統的功率振蕩和電壓波動。元件損壞還可能引發連鎖反應，導致其他元件承受過大的電壓和電流，進一步擴大故障范圍。如果多個元件同時損壞，換流器可能無法正常工作，直流輸電系統被迫停運，送端系統將面臨嚴重的功率缺額，發電機可能因過載而損壞，系統的暫態穩定將受到極大威脅。4.2交流系統故障對暫態穩定的影響4.2.1交流線路故障交流線路故障是影響交直流互聯送端系統暫態穩定的重要因素之一，其中短路和過載故障較為常見，對系統的暫態穩定性有著復雜且顯著的影響。當交流線路發生短路故障時，線路的阻抗瞬間減小，導致短路電流急劇增大。短路電流的大小取決于短路類型、故障點位置以及系統的短路容量等因素。以三相短路為例，其短路電流的幅值通常是正常運行電流的數倍甚至數十倍。如此巨大的短路電流會對送端系統產生多方面的影響。短路電流會使系統的功率分布發生劇烈變化。由于短路點的存在，功率傳輸路徑被改變，原本穩定傳輸的功率會出現大幅波動。這會導致送端系統的功率平衡被打破，發電機的電磁功率與機械功率失衡，進而引發發電機的轉速和功角發生變化。如果不能及時調整，發電機可能會失去同步，進入失步運行狀態，嚴重威脅系統的暫態穩定。短路故障還會引起系統電壓的大幅下降。故障點附近的電壓會急劇降低，形成電壓凹陷，影響附近電氣設備的正常運行。電壓下降還可能導致系統中的其他設備，如電動機、變壓器等，由于電壓不足而無法正常工作，甚至損壞。而且，電壓下降會進一步影響系統的無功功率分布，導致無功功率需求增加，若系統的無功補償能力不足，會使電壓進一步下降，形成惡性循環，最終可能引發電壓崩潰，導致系統失去暫態穩定。交流線路過載故障同樣會對送端系統暫態穩定產生不利影響。當線路過載時，線路電流超過其額定值，導致線路發熱增加，電阻增大。這會使線路的功率損耗增加，輸電效率降低。過載還會導致線路電壓降落增大，使受電端電壓降低，影響電力用戶的正常用電。在交直流互聯送端系統中，交流線路過載可能會引發連鎖反應。由于系統的功率平衡是一個整體，某條線路過載可能會導致其他線路的功率分配發生變化，進而使整個系統的運行狀態受到影響。如果過載情況持續惡化，可能會導致線路保護裝置動作，切除過載線路，這將進一步破壞系統的功率平衡，引發系統的暫態不穩定。過載還可能導致線路絕緣老化加速，增加線路發生短路故障的風險，從而對系統的暫態穩定性造成更大的威脅。4.2.2發電機故障發電機故障是交直流互聯送端系統中影響暫態穩定的關鍵因素之一，失磁和失步故障較為典型，其對系統的影響廣泛且復雜，可能引發連鎖反應，威脅系統的安全穩定運行。發電機失磁故障是指發電機的勵磁突然全部消失或部分消失。引發失磁的原因包括轉子繞組故障、勵磁機故障、自動滅磁開關誤跳閘、半導體勵磁系統中某些元件損壞或回路發生故障以及誤操作等。當發電機完全失去勵磁時，勵磁電流將逐漸衰減到零。由于發電機的感應電勢隨著勵磁電流的減小而減小，其電磁轉矩也將小于原動機的轉矩，從而引起轉子加速，使發電機的功角增大。當功角超過穩定極限角時，發電機將與系統失去同步，進入失步運行狀態。在失磁過程中，發電機將從并列運行的電力系統中吸收感性的無功功率供給勵磁電流，在定子繞組中感應電勢。這會導致系統的無功功率需求大幅增加，如果系統的無功儲備不足，將引起系統電壓下降。若電力系統的容量較小或無功功率儲備不足，可能使失磁發電機的機端電壓、升壓變壓器高壓側的母線電壓或其它鄰近點的電壓低于允許值，從而破壞了負荷與各電源間的穩定運行，甚至可能因電壓崩潰而使系統瓦解。發電機失磁還會在轉子線圈、轉子鐵芯表面、阻尼系統產生滑差電流，引起附加溫升。在槽楔與齒壁之間、槽楔與套箍之間，以及齒與套箍間的接觸面上都可能產生局部高溫，影響發電機的安全運行。發電機失步故障是指發電機與系統之間失去同步運行的狀態。失步可能由多種原因引起，如系統故障、負荷突變、發電機自身調節系統故障等。當發電機失步時，其轉子轉速與系統同步轉速不再保持一致，會出現相對運動。這會導致發電機的輸出功率、電流和電壓發生劇烈波動，產生低頻振蕩。低頻振蕩的頻率一般在0.1-2.5Hz之間，可能持續較長時間，對系統的穩定性造成嚴重威脅。發電機失步還會對系統中的其他發電機產生影響，引起其他發電機的功率振蕩和電壓波動。如果多個發電機同時失步，可能導致系統的功率平衡徹底破壞，引發大面積停電事故。在交直流互聯送端系統中，發電機失步還可能與直流輸電系統相互作用，進一步加劇系統的不穩定。例如，發電機失步引起的功率振蕩可能會影響直流輸電系統的功率調節，導致直流輸電系統的控制策略失效，從而引發換相失敗等問題，使系統的暫態穩定性進一步惡化。四、交直流互聯送端系統暫態穩定影響因素分析4.3控制策略對暫態穩定的影響4.3.1直流調制策略直流調制策略是提升交直流互聯送端系統暫態穩定性的重要手段，在抑制系統振蕩和維持穩定運行方面發揮著關鍵作用。直流調制策略的原理基于直流輸電系統的快速功率調節能力。當送端系統受到擾動，如發生短路故障或負荷突變時，系統的功率平衡會被打破，導致功率振蕩和電壓波動。直流調制策略通過快速調節直流輸電功率，使其在短時間內發生變化，從而為送端系統提供額外的功率支持或吸收多余的功率，以維持系統的功率平衡和穩定運行。例如，當送端系統發生短路故障導致功率缺額時，直流調制策略可以迅速增加直流輸電功率，將受端系統的功率輸送到送端，彌補功率缺口，抑制功率振蕩。其具體的調節方式是通過改變換流器的觸發角，從而調整直流電壓和電流，實現直流功率的快速變化。在抑制系統振蕩方面，直流調制策略能夠有效地提供附加阻尼。當系統出現功率振蕩時，直流調制策略可以根據振蕩的頻率和幅值，動態地調整直流功率，產生與振蕩相反的阻尼力矩，使振蕩逐漸衰減。以某交直流互聯送端系統為例，當系統發生低頻振蕩時，直流調制策略可以通過檢測振蕩信號，快速調整直流功率，使其在振蕩的一個周期內，在功率增加階段減小直流功率輸出，在功率減小階段增加直流功率輸出，從而為系統提供負阻尼，抑制振蕩的發展。通過這種方式，直流調制策略能夠有效地提高系統的阻尼特性，增強系統對振蕩的抑制能力，保障系統的暫態穩定。在實際應用中，直流調制策略對提高暫態穩定具有顯著效果。在某大型交直流互聯送端系統中，通過實施直流調制策略，當系統發生嚴重故障時，直流輸電功率能夠在數百毫秒內快速響應，有效地抑制了功率振蕩，使系統的功角和電壓能夠快速恢復穩定。與未采用直流調制策略的情況相比，系統的暫態穩定水平得到了大幅提升，故障后的恢復時間明顯縮短，減少了系統失穩的風險。直流調制策略還能夠提高系統的輸電能力，在保證系統安全穩定運行的前提下，實現更多功率的輸送。4.3.2附加控制策略附加控制策略在交直流互聯送端系統暫態穩定中扮演著重要角色，儲能裝置控制和靈活交流輸電系統（FACTS）控制等策略通過不同的作用機制，對暫態穩定產生積極影響。儲能裝置控制策略利用儲能裝置的充放電特性，在系統暫態過程中發揮調節作用。常見的儲能裝置包括電池儲能系統、超級電容器等。當送端系統受到擾動導致功率缺額時，儲能裝置可以迅速釋放儲存的能量，向系統注入功率，彌補功率缺口，穩定系統電壓和頻率。反之，當系統功率過剩時，儲能裝置可以吸收多余的功率進行充電，防止系統電壓過高和頻率上升。以電池儲能系統為例，其響應速度快，能夠在毫秒級時間內實現充放電切換。在某交直流互聯送端系統中，當發生短路故障切除后，系統出現功率過剩，電池儲能系統迅速啟動充電模式，吸收多余功率，避免了電壓的過度升高，使系統能夠快速恢復穩定運行。儲能裝置還可以與其他控制策略配合使用，如與直流調制策略相結合，當直流輸電系統進行功率調節時，儲能裝置可以輔助其進行功率平衡調整，進一步提高系統的暫態穩定性。靈活交流輸電系統（FACTS）控制策略通過調節輸電線路的電氣參數，改善系統的暫態穩定性能。靜止無功補償器（SVC）和晶閘管控制串聯電容器（TCSC）是兩種典型的FACTS裝置。SVC通過快速調節其輸出的無功功率，能夠有效穩定送端系統的電壓。當系統電壓下降時，SVC迅速增加無功輸出，提高電壓水平；當電壓過高時，SVC減少無功輸出，使電壓恢復正常。在某送端系統中，當負荷突然增加導致電壓下降時，SVC在幾毫秒內響應，增加無功輸出，使電壓在短時間內恢復到正常范圍，保障了系統的穩定運行。TCSC則通過調節串聯電容的容抗，改變輸電線路的電抗，實現對輸電功率的靈活調節。在送端系統中，TCSC可以根據系統的需要，快速調整輸電功率，提高系統的輸電能力和穩定性。例如，在系統發生功率振蕩時，TCSC可以通過改變容抗，調整輸電線路的傳輸功率，抑制功率振蕩，增強系統的暫態穩定性。五、交直流互聯送端系統暫態穩定控制策略5.1常規控制策略5.1.1直流功率控制直流功率控制是交直流互聯送端系統暫態穩定控制的重要手段，其原理基于直流輸電系統的快速功率調節特性，通過改變換流器的觸發角，實現對直流功率的精確控制。在實際應用中，定功率控制和定電流控制是兩種常見的直流功率控制方法。定功率控制是指通過調節換流器的觸發角，使直流輸電功率保持在設定的恒定值。在送端系統運行過程中，根據系統的負荷需求和運行狀態，預先設定直流輸電功率的目標值。然后，控制系統實時監測直流功率的實際值，并與目標值進行比較。若實際功率偏離目標值，通過調整換流器的觸發角，改變直流電壓和電流，從而使直流功率恢復到目標值。例如，在某交直流互聯送端系統中，當送端系統的負荷穩定，受端系統的需求也相對穩定時，采用定功率控制可以保證直流輸電功率的穩定輸出，維持系統的功率平衡。定功率控制的優點是能夠穩定地維持直流輸電功率，適用于系統負荷變化較小的情況。然而，其缺點是對交流系統的擾動較為敏感，當交流系統發生故障或出現較大的功率波動時，定功率控制可能無法及時響應，導致系統穩定性下降。定電流控制則是通過調節換流器的觸發角，使直流電流保持在設定的恒定值。在定電流控制中，首先設定直流電流的目標值。控制系統通過監測直流電流的實際值，當實際電流與目標值存在偏差時，調整換流器的觸發角，改變直流電壓，以維持直流電流的恒定。在送端系統發生故障時，可能會導致直流電流的波動，定電流控制可以快速調整觸發角，使直流電流恢復到設定值，從而保證直流輸電系統的穩定運行。定電流控制的優點是對直流電流的控制精度較高，能夠有效應對直流電流的波動。但它也存在一定的局限性，由于定電流控制主要關注直流電流的穩定，可能會導致直流功率的波動，在某些情況下可能會影響系統的功率平衡和穩定性。在實際的交直流互聯送端系統中，直流功率控制還需要考慮多種因素。需要考慮直流輸電系統的響應速度和調節精度，以確保能夠快速、準確地調節直流功率。還需要考慮與交流系統的協調配合，避免直流功率的調節對交流系統產生不利影響。在送端系統發生故障時，直流功率的快速調節可能會引起交流系統的電壓波動和功率振蕩，因此需要通過合理的控制策略，實現交直流系統的協同穩定運行。5.1.2交流電壓控制交流電壓控制是維持交直流互聯送端系統暫態穩定的關鍵環節，其通過多種手段和策略來確保系統在不同運行工況下的電壓穩定。變壓器分接頭調節和無功補償是常用的交流電壓控制方法。變壓器分接頭調節是通過改變變壓器的變比來調整電壓。變壓器的分接頭通常設置在高壓側，通過調節分接頭的位置，可以改變變壓器的匝數比，從而實現對輸出電壓的調節。當送端系統的電壓偏低時，可以將分接頭向低擋位調整，降低變壓器的變比，使輸出電壓升高。反之，當電壓偏高時，將分接頭向高擋位調整，提高變比，降低輸出電壓。在某送端系統中，當負荷增加導致電壓下降時，通過調節變壓器分接頭，將變比從110±2×2.5%/10.5kV調整為110-2×2.5%/10.5kV，使得10.5kV側的電壓得到提升，滿足了負荷對電壓的要求。變壓器分接頭調節的優點是調節方式簡單、成本較低。但其調節速度相對較慢，且調節范圍有限，一般分接頭的調節擋位是有限的，每次調節的電壓變化量也較小，不適用于快速變化的電壓調節需求。無功補償是通過安裝無功補償設備來調節系