交直流混合电力系统潮流计算

交直流电力系统潮流计算

摘要：由于我国能源分布与经济发达地区的不均衡性，今后能源大规模、远距离流动成为必然。特高压直流输电具有送电容量大、送电距离远等优点，在今后的能源流动中具有不可替代的地位。本文首先阐述了高压直流输电系统的发展及运行特点，总结已有的交直流电力系统潮流计算的一般方法，提出一种实用新型交直流电力系统潮流计算方法。同时对大规模交直流互联系统，提出了分区并行潮流算法的思路。

关键词：电力系统，交直流互联，潮流计算

1. 引言

我国地域辽阔，水能、煤炭资源较丰富，油、气资源相对贫乏，发电能源资源的分布和用电负荷的分布极不均衡。一方面，全国可开发的水电资源有近2/3 分布在西部的四川、云南、西藏三省区，煤炭保有储量的2/3分布在山西、陕西、内蒙古三省区；另一方面，东部沿海和京广铁路沿线以东地区经济发达，用电负荷约占全国的 2/3。今后我国水能和煤炭资源的开发多集中在西南、西北和晋、陕、蒙地区，并逐步西移和北移，而东部沿海和京广铁路沿线东地区国民经济持续快速发展，导致能源产地与能源消费地区之间的距离越来越远，使得我国能源配置的距离、特点和方式都发生了巨大变化，因此必然引起能源和电力的跨区域大规模流动。

直流输电一般定位于一定距离、一定规模的电力外送，在今后的电网发展中将日益受到重视。随着电力大规模流动的距离逐渐加大，现有的±500kV直流输电将无法满足要求，客观上需要采用更高一级的直流输电电压等级。根据对我国西南水电外送输电方案的多次滚动规划研究成果并结合国外的相关研究结论，±800kV 直流输电在技术上是可行的，比较适合我国的实际情况。

随着高压直流输电的应用越来越广泛，交直流混合电力系统将越来越普遍存在，其潮流算法也应当相应的有所发展，以适应实际的需求。交直流互联电力系统潮流算法主要分为联合求解法和交替求解法。联合求解法的收敛性好，但破坏了交流潮流算法中雅可比矩阵的结构，计算效率会随着直流系统的增加而降低；

交替求解法的收敛条件相对苛刻，不需要修改交流系统的雅可比矩阵，易于实现。

在讨论算法的同时，也应当考虑到大规模交直流混合电力系统的区域特性，因此如何对大规模交直流混合电力系统进行区域划分，进行并行求解也是本文讨论的范围。

本文首先对高压直流输电系统进行阐述，表明其未来具有良好的发展空间，因此研究交直流电力系统的潮流计算是非常有必要的。其次适当总结当前交直流电力系统的算法，并提出一种实用新型算法。最后对大规模交直流电力系统的分区并行计算思路做出阐述。

2. 高压直流输电

人们对电力的应用和认识以及电力科学的发展都是首先从直流电开始的。19世纪初期发展起来的信号传输——电报，虽然传输的电流是很微弱的，但是人们从此得到启发，并引用于电力传输。法国物理学家德普勒提出：如果输电电压选择的足够高，即使沿着电报线路也可能输送较大的功率到较远的距离。他并于1882年，用装设在米斯巴赫煤矿中的直流发电机，以1500——2000伏电压，沿着57公里的电报线路，把电力送到在慕里黑举办的国际展览会，完成了第一次输电试验，也是有史以来的第一次直流输电试验。

此后，直流输电的电压、功率和距离分别达到125千伏，20兆瓦和225公里。但由于当时是采用直流发电机串联组成高压直流电源，受端电动机也是串联方式运行的。不但高电压大容量直流电机的换向有困难，而且串联的运行方式比较复杂，可靠性差，因此直流输电在当时没有得到进一步的发展。与此同时，随着生产的发展和电能需求的不断增长，在十九世纪八十和九十年代，人们逐步掌握了多相交流电路的原理，创造了交流发电机、变压器和感应电动机。因为交流电的发电、变压、输送、分配和使用都很方便，而且经济、安全和可靠。因此，交流电就几乎完全代替了直流电，并发展成今日规模巨大的电力系统。

随着电力电子技术的发展，直流电的电压、功率转变不再是难题，而能够得到十分稳定的控制，因此使直流输电又重新得以应用。高压直流输电作为一种新兴的输电方法，有很多优于交流输电地方，比如它可以实现不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同期联络，特别适合高电压、远距离、大容量输电，尤其适合大区电网间的互联，线路功耗小、对环境的危害小，线路故障时的自防

护能力强等等。1954年，瑞典在本土和果特兰岛之间建立一条海底电缆直流输电线，是世界上第一条工业性的高压直流输电线，此后，许多国家也积极地开展了高压直流输电的研发和建设工作。六十年代可控硅整流元件的出现，为换流设备的制造开辟了新的途径，高压直流输电也出现了新的前景。

如图所示，直流输电系统主要由换流器和直流输电线路组成。换流装置由换流变压器、换流器、控制极触发装置、控制保护装置及其它辅助装置等构成；直流线路与交流线路一样，由导线、地线、绝缘子、金具、杆塔、基础和接地装置等组成，地线、基础、接地装置的设计与交流一样。虽然结构很简单，但高压直流输电有很多独有的特性：

○1高压直流输电与其相联的两个交流系统的频率和相位无关。据此可通过直流输电环节连接两独立交流系统，既能获取减小热备用容量等联网效益，又可各自保持有功及无功功率平衡等电网管理的独立性。另外，一电网短路可因直流环节的隔离作用而不直接株连另一电网，从而避免全系统大面积停电。故高压直流输电很适于电网间的互联。

○2高压直流输电只传送有功功率。故不会增大所联交流电网的短路容量，即不增大断路器遮断容量，且直流电缆无充电电流，可长距离送电。

○3高压直流输电的传送功率(包括大小和方向)快速可控。故可方便而精确地严格按计划实时控制所联交流电网间的交换功率，且不受两端交流电网运行工况的影响，特别适合于所联两电网间按协议送电。还可通过快速准确地控制直流功率来有效提高所联交流电网或所并联交流线路的稳定性。

○4高压直流输电线路经济。因单、双极直流输电分别只需一、二根导线(相当于一、二回交流线路) ，故直流输电线路所需线路走廊宽度小，线材、金具、塔材都少，塔轻使塔基工程量也小。输电距离较远时，直流线路节省的费用将大于