应用电力电子技术提升新型电力系统三道防线适应性-北极星输配电网

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摘要：为适应安全稳定特性变化后的新型电力系统控制保护要求，电力系统三道防线的相关技术亟需不断创新。提升安全稳定防御体系的适应性，保障新型电力系统的安全稳定运行，是一个宏大且复杂的综合课题，解决这个问题并不能一蹴而就，需循序渐进地逐步研究、改进和完善。

来源：北极星输配电网作者：王莉广东电网有限责任公司广州供电局

1 传统电力系统三道防线面临的挑战

随着国家“3060”目标不断推进，我国将逐步建设以新能源为主体的新型电力系统。在此背景下，新能源高占比、交直流紧密耦合，电力系统大扰动特性发生显著变化，传统三道防线面临较大挑战，主要包括：

（1）构成第一道防线的继电保护存在选择性、灵敏性不足等问题。电网发生故障时，风电、光伏等新能源表现出的特征与常规水、火电机组有明显差别，如无电压源特性、故障电流幅值相对较小等，使得现有继电保护在快速准确判断故障位置等方面存在较大困难；

（2）构成第二道防线的切机、切负荷等紧急控制措施可能无法达到预期控制目标。例如直流换相失败等故障或大扰动，具有冲击性或者暂时性特征，新型电力系统中继续采用常规的切机、切负荷等稳定控制技术，被控对象无法在短时内恢复以应对暂时性扰动，并且控制对象被切除后电力系统电压和频率存在进一步恶化可能；

（3）构成第三道防线的频率电压紧急控制措施，常规的系统分析方法所确定的控制判据和控制量存在不适配新型电力系统的问题。在频率、电压等不同稳定问题交互严重影响的情况下，如何制定合理的判据，并采取合适的控制量也将是一个挑战。

2 夯实新型电力系统三道防线的思路

从体系上分析，电力系统三道防线采用先隔离自身故障（第一道防线），再控制故障影响程度和范围（第二、三道防线）的原则；在控制故障影响方面，又采取了先针对性的主动控制（第二道防线），再应用广泛性的被动控制（第三道防线）的原则。该体系具有相当的普适性，应继续沿用该体系，针对性地采用适应新型电力系统特性的控制保护技术，进一步夯实电力系统三道防线，主要思路包括：

1）针对第一道防线，应研究新的故障判别技术，特别是不依赖于电源特性的故障分析方法及判别技术，实现故障特征变化情况下对故障元件的准确快速隔离，必要时可以适当引入外部信息或与部分控制进行融合；

2）作为第二、三道防线的安全稳定控制，应尽量避免削弱电力系统的正常控制（频率、电压）的能力，减少直接切除电源开关等技术的应用；

3）提升安全稳定控制技术的灵活性和响应速度，实现对冲击性大扰动的稳定控制，同时，注重扰动检测方法等方面的可实施与可维护性。

3 提升新型电力系统三道防线适应性的技术手段

基于新型电力系统中电力电子设备大量应用，应利用电力电子的控制保护技术快速、灵活的特点，提升新型电力系统三道防线的适应性，保障新型电力系统的安全稳定运行。

3.1 基于现有电力电子潜力挖掘的技术

提升三道防线适应性应优先考虑充分挖掘、释放现有电力电子技术的控制潜力，仅需对相关设备进行技术改进即可，工程量小，经济性好。

（1）直流输电系统功率快速控制技术

直流输电功率快速控制技术应用于电力系统第三道防线，可起到取代常规切机、切负荷措施的作用，在应对特定直流闭锁、失去大电源或者大负荷等大扰动，保障大电网的稳定性方面发挥了巨大的作用。特别是对于直流输电占比较大的电网（如云南电网），其作用更加明显。

（2）光伏电站功率快速控制技术

利用光伏逆变器可快速控制特性实现整体快速功率控制，可将其应用于新型电力系统第二、三道防线，实现电网稳定控制（速降功率）、快速调压、一次调频等。通过光伏电站功率快速控制，可解决常规切除新能源等稳定控制技术造成的无功控制能力降低、恢复速度慢等问题。工程应用经验表明，光伏电站整体功率控制响应时间小于100ms，部分特性上优于常规水、火电机组。光伏电站功率快速控制技术同样可推广至风电、储能等领域。

（3）大容量动态无功控制技术

以SVC、SVG、可控高抗等为代表的大容量动态无功设备，既可参与正常情况下电压波动的调节，也可参与电网故障下的紧急电压控制，可作为新型电力系统第二、三道防线的补充。南方电网富宁换流站SVG在暂态过程中能按照1.3倍过电流持续运行5s，支撑500kV交流系统出线电压水平，降低HVDC换相失败的概率。

3.2 应用于三道防线的新型电力电子技术

开展新的基于电力电子的控制技术研究和应用，满足特定或综合的控制需求。

（1）阀控型耗能电阻、可控避雷器技术

阀控型耗能电阻、可控避雷器技术的基本原理是通过电力电子开关，实现大功率电阻的快速控制，消耗系统暂态能量，既可用于解决诸如直流输电换相失败等冲击性扰动造成的电网安全稳定问题，有效提升跨区直流输送能力，也可应用于解决常规永久性故障引发的电力系统稳定问题，起到替代常规切机控制的作用。

（2）灵活潮流控制技术

以统一潮流控制器、可控移相器为代表的灵活潮流控制技术，既可实现正常潮流的优化调节，也可实现故障期间潮流的紧急控制，提升新型电力系统第二、三道防线适应性。

（3）基于柔性直流的新型环网控制技术

将柔性直流作为一个控制点嵌入到交流系统，采取针对性功率快速控制，可综合解决短路电流超标、过载、电压和频率稳定等问题。

4 总结

为适应安全稳定特性变化后的新型电力系统控制保护要求，电力系统三道防线的相关技术亟需不断创新。提升安全稳定防御体系的适应性，保障新型电力系统的安全稳定运行，是一个宏大且复杂的综合课题，解决这个问题并不能一蹴而就，需循序渐进地逐步研究、改进和完善。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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