4-3交直流混联系统的潮流讲解
考虑RSR法的交直流混联电网结构脆弱性研究
ELECTRIC DRIVE2024Vol.54No.5电气传动2024年第54卷第5期考虑RSR法的交直流混联电网结构脆弱性研究彭寅章1，王琛2，南东亮1，肖超3，杨帅1（1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆乌鲁木齐830013；2.国网新疆电力有限公司，新疆乌鲁木齐830011；3.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州450052）摘要：交直流混联电网能够在较大范围内均衡电力系统运行时的潮流，有利于提升新能源大规模接入电网的接入容量及接入范围，是现代电网发展的重要趋势。
为分析交直流混联系统的结构脆弱性，避免电网大停电事故的发生，提出一种基于秩和比（RSR）法的电网结构脆弱性分析方法。
首先，基于复杂网络结构特性建立脆弱性指标集，其次选用RSR法结合主、客观评价法得到节点脆弱性综合权重值，最后，为验证所提方法的有效性，以EPRI-36节点交直流混联系统为基础算例进行节点脆弱性分析，结果表明该方法具有可行性。
关键词：交直流混联电力系统；潮流；新能源；脆弱节点识别；CRITIC法；RSR法；指标集；综合权重中图分类号：TM74文献标识码：A DOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd24902Research on Structural Vulnerability of AC-DC Hybrid Power Grid Based on RSR MethodPENG Yinzhang1，WANG Chen2，NAN Dongliang1，XIAO Chao3，YANG Shuai1（1.Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co.，Ltd.，Urumqi830013，Xinjiang，China；2.State Grid Xinjiang Electric Power Co.，Ltd.，Urumqi830011，Xinjiang，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou450052，Henan，China）Abstract：AC-DC hybrid power grid can balance the power flow during the operation of the power system ina large range，which is conducive to improving the access capacity and access range of large-scale access of newenergy to the power grid，which is an important trend in the development of modern power grid.In order to analyze the structural vulnerability of AC-DC hybrid system and avoid the occurrence of power grid outage，a rank-sum ratio（RSR）method was proposed to analyze the structural vulnerability of power grid.Firstly，the vulnerability index set was established based on the structural characteristics of the complex networks.Secondly，the RSR method combined with the subjective and objective evaluation method was used to obtain the comprehensive weight value of node vulnerability.Finally，to verify the validity of the proposed method，AC-DC mixed with EPRI-36node system node vulnerability analysis based on an example，the results show that the method is feasible.Key words：AC-DC hybrid power system；flow；new energy；vulnerable node identification；criteria importance thought intercrieria correlation（CRITIC）method；rank-sum ratio（RSR）method；indicator set；comprehensive weight直流输电广泛用于大容量、远距离输电，能加速实现我国电力西电东送计划和全国电网系统大规模互联[1]。
交直流混联系统的潮流资料
2.
1. 标幺值下的换流器基本方程
基本关系 功率取 电压取 有
U dB RdB I dB PdB U dB I dB
P UB I B dB SB 3
U dB
dB
3 2
nt kTBU B
PdB IB U dB 6nt kTB
U dB 3 RdB nt X cB I dB X cB 6
交、直流系统输电功率相 同的情况下，直流输电达到 一定距离时，建设换流站多 花费的投资恰好被直流输电 线路节省的投资完全补偿， 则称这个距离为交、直输电 的等值距离。随着电力电子 技术的进步，直流输电技术 的关键元件换流阀的耐压值 和过流量大大提高，造价大 幅下降，直流输电经济性优 势日益显著。
高压直流输电主要用于:
4-3 交直流混联系统的潮流计算方法
计算方法：
1. 统一迭代法（联合求解法） 以极坐标形式下的牛顿法 为基础，将交流节点电压的幅值和相角与直流系统中的 直流电压、直流电流、换流器变比、换流器的功率因素 及换流器控制角统一进行迭代求解。 交替迭代法 在迭代过程中，将交流系统方程和直流系 统方程分别进行求解。在求解交流系统方程时，将直流 系统用接在相应节点上的已知其有功和无功功率的负荷 来等值。而在求解直流系统方程时，将交流系统模拟成 加在换流器交流母线上的一个恒定电压。
2000年±500kV、1800MW天生桥－广州超高压直流输电 线路投入运行，线路全长980km。 2003年±500kV、3000MW三峡－常州超高压直流输电线 路投入运行，线路全长890km。 由于我国幅原辽阔，一次能源分布不均衡，动力资源与重 要负荷中心距离很远，因此我国的送电格局是“西电东送” 和“北电南送”。 荆州至惠州博罗响水镇±500kV、3000MW、940km线路， 安顺至肇庆±500kV、3000MW、980km线路，三峡至上 海练唐±500kV、3000MW、940km线路、陕西至河南灵 宝、邯郸至新乡等多条高压直流输电陆续投入运行。 2010年6月18日云广特高压±800kV直流输电工程双极竣 工投产，这是西电东送项目之一，也是世界首条±800kV 直流输电工程，该输电线路工程西起自云南楚雄变电站， 经过云南、广西、广东三省辖区，东止于广东曾城穗东变 电站。 显然，我国已跨入交直流混合大电网时代。
3-4-7混联电路的基本规律
混联电路：
• 既有串联电路，又有并联电路。
(图一：先并后串)
(图二：先串后并)
灯泡混联电路的特点
（1）电流的特点
特点： 用万用表的直流电流档分别测出该图，1、2、3处
的电流大小：I1、I2、 I3 关系：I 1 ＝I 2 +I 3 混联电路中干路电流强度等于各支路电流强度之和。
灯泡混联电路的特点
（6）混联电路分析方法练习
如图所示电路，已知U＝220V，R1＝R4＝10，
R2＝300，R3＝600。
试求： （1）电路的等效电阻R； （2）电路中的总电流I； （3）电阻R2两端的电压U2； （4）电阻R3消耗的功率P3。
灯泡混联电路的特点
（7）混联电路的等效变换与等效电阻的求法
两端电压以及电路的总电压：U1、U2、U总。 电路总电压等于支路两端的电压。
灯泡混联电路的特点
（3）电阻的特点
R12=R1//R2
等效电阻表示为
R总=R1//R2+R3
先并后串
R1R2 R总 R3 R1 R2
灯泡混联电路的特点
（3）电阻的特点
等效电阻表示为 R总=(R1+R2)/ /R3
并联电路的分流规律即：通过各支
路电路的电流跟它的电阻成反比。 R12=R1 +R2
先串后并
灯泡混联电路的特点
（5）功率分配
• 混联电路的总功率等于各个用电器的功率之和
P总＝P1＋P2+···＋Pn
混联: 主要特征 :
• 串联分压，并联分流。 由串联电路和并联电路组合在一起的特殊电路 •
灯泡混联电路的特点
灯泡混联电路的特点
（7）混联电路等效变换与等效电阻求法练习
dl4三相交流电路
EA 220 0 EB 220 120 EC 220 240
IA
N'
IB
IC
每盏灯的额定值为: 220V、 100W
求：各相电流
用结点电压法
A
EA E
N
B
C EC B
IA
N'
IB
A
ICR
E A B IA R
N E B C IB R
N'
EC
IC R
每盏灯为220V、 100W
X
单相电动势。
定子
Z
•
B 转子
4.1.2 三相电动势的特征
eXA Em sint
eYB Em sint 120 eZC Em sint 240
E msi nt (12 )0
大小相等，频率相同，相位互差120º
4.1.3 三相电动势的瞬时关系
eA eB eC
Em
eA+eB+eC=0
4.1.4 三相电动势的相量关系
分析：
设线电压为380V。 A相断开后，B、C 两相串连， 电压UBC （380V）加在B、C 负载上。如果两相负载对称， 则每相负载上的电压为190V。
A 一层楼
二层楼
B
结果：二、三楼电灯全部变暗， 不能正常工作。
C
...
三层楼
问题2：
若一楼断开，二、三楼接通。但两层楼灯的数量不等 （设二楼灯的数量为三层的1/4 ）结果如何？
RU2 484
P
22 00 22 012022 0120
R
R
R
UN'
2 112
RRR
N
A EE BA B
4-3交直流混联系统的潮流
2.
1. 标幺值下的换流器基本方程
基本关系 功率取 电压取 有
U dB RdB I dB PdB U dB I dB
P UB I B dB SB 3
U dB
I dB
3 2
nt kTBU B
PdB IB U dB 6nt kTB
U dB 3 RdB nt X cB I dB X cB 6
换流变压器的作用是通过调节其变比可方便地控制系统的 运行状态。 滤波器的作用是抑制换流器运行时产生的谐波电压和谐波 电流，以保证电能质量。 平波电抗器（电感值很大）的作用是减小直流线路中的谐 波电压和谐波电流；保证直流电流在轻负荷时的连续，在 直流线路发生短路时限制整流器中的短路电流峰值。 无功补偿装置的作用是为换流器提供无功电源，因为换流 器运行时需要从交流系统吸收大量的无功功率，其稳态时 吸收的无功约为直流线路输送的有功的50％，暂态过程更 多。
换流器的功能是把三相交流电变换成直流电或直流电变换成三相交流 电，前者称为整流，后者称为逆变。相应的换流设备称为整流器和逆 变器。换流器中最基本的元件是阀元件，现代高压直流输电系统所用 的阀元件为普通晶闸管。为了满足所需的电压和电流需要，用于直流 输电的换流器可由一个或多个换流桥串并联组成，换流桥为三相桥式 换流电路，有6个桥臂，桥臂由阀元件组成。
2000年±500kV、1800MW天生桥－广州超高压直流输电 线路投入运行，线路全长980km。 2003年±500kV、3000MW三峡－常州超高压直流输电线 路投入运行，线路全长890km。 由于我国幅原辽阔，一次能源分布不均衡，动力资源与重 要负荷中心距离很远，因此我国的送电格局是“西电东送” 和“北电南送”。 荆州至惠州博罗响水镇±500kV、3000MW、940km线路， 安顺至肇庆±500kV、3000MW、980km线路，三峡至上 海练唐±500kV、3000MW、940km线路、陕西至河南灵 宝、邯郸至新乡等多条高压直流输电陆续投入运行。 2010年6月18日云广特高压±800kV直流输电工程双极竣 工投产，这是西电东送项目之一，也是世界首条±800kV 直流输电工程，该输电线路工程西起自云南楚雄变电站， 经过云南、广西、广东三省辖区，东止于广东曾城穗东变 电站。 显然，我国已跨入交直流混合大电网时代。
4 CRH3型动车组变流器系统分析
4 CRH3型动车组变流器系统分析4crh3型动车组变流器系统分析4crh3动车组变流器系统分析crh3型动车组牵引变流器结构紧凑，牵引变流器设计成车下牵引箱，易于运用和检修的模块化结构。
牵引变流器输入侧为四象限脉冲整流器(4qc)，2个4qc并联为一个共同的直流环节供电，中间电容区部分存储能量，输出平滑的直流电压。
输出端为一个pwm逆变器，将直流环节电压转换成牵引系统所要求的变压变频三相电源驱动4个并联的异步牵引电机。
列车工作在牵引状态时作为逆变器，将直流电转变成电压频率变化的三相交流电供给牵引电动机；列车处于再生制动时牵引电动机作为发电机运行，牵引逆变器工作于整流状态，将三相交流电转变成直流电，再由四相限整流器回馈电网。
4.1牵引变流器主电路结构crh3型动车组牵引变流器采用电压型2电平电路，由脉冲整流器和中间电路组成直流电路、逆变器构成。
变压器牵引绕组ac1550v、50hz交流电输入脉冲整流器。
2电平pwm变频脉冲整流器采用igbt元件，实现输出直流电压2600v～3000v定压控制、牵引变压器原边电压、电流、功率因数的控制，以及无接点控制装置保护。
再生制动时，脉冲整流器接收滤波电容器输出的直流3000v电压，向牵引变压器供应ac1500v、50hz交流电并返回电网。
滤波电容器直流电压输入逆变器，根据igbt控制信号，输出变频变压的三相交流电，对4台并联的牵引电机进行转速、转矩控制。
再生制动时逆变器控制在功能上按正向程序转换，感应电机发出三相交流电，逆变器向滤波电容器输出直流电压。
牵引电机采用直接转矩控制方式，使转矩控制反应高速化，提高了系统动态响应性能。
CRH3动车组由8辆车组成，动力配置为4m+4T（M为动车，t为拖车），其中两辆相邻的动车组为一个基本动力单元。
每个动力装置都有一个独立的牵引传动系统。
受电弓真空断路器牵引变流器牵引电机逆变器滤波电容器脉冲整流器脉冲整流器牵引变流器滤波电容器逆变器牵引电机x4x4牵引变压器图4.1 CRH3动车组牵引传动系统crh3牵引传动系统组成原理图如图4.1所示，在动车组中装有4个完全相同且互相独立的动力单元，每个独立的动力单元都相同，其电路如图4.2所示。
能源互联网环境下交直流混合配电系统技术要点分析
能源互联网环境下交直流混合配电系统技术要点分析摘要：多元负荷分布式电源灵活接入是交直流混合配电系统具备的特征。
除此之外，其还拥有运行稳定、电能质量高、供电可靠的优势，交直流混合配电系统以电为核心建立互联网的物理架构，下面介绍直流配电的关键技术，希望对相关人员研究能源互联网关于交直流混合配电网络方案设计有一定的帮助。
关键词：交直流混合配电网；能源互联网；供电模式在社会高速发展下资源环境与社会经济发展出现不可调和的矛盾，传统不可再生能源在当下的供给量无法满足社会经济发展的需要，为此应该开发大量可再生能源并且需要完成不可再生能源的合理控制，通过降低碳排放量，使用可再生能源替代化石能源，借助此类方法最大程度的节约不可再生能源，其已成为当下大众的共识，能源转型已成为社会发展必须大力推进的工作，当下在电力系统中为提高电能的供量并降低能源无用消耗，必须考虑到可再生能源在发电中的应用，在电源侧可以使用风能、太阳能完成发电替代传统的火力发电方式，在负荷测应该考虑到能源需求量，需要增加主动负荷与柔性负荷比例。
随着电力系统物理形态与能源转型的需求，能源互联网相继出现，便成为大众关注的热点话题。
一、规划设计目前，我国在直流配电技术方面的研究时间上短处于起步阶段，同时研究的内容集中在网络架构电压等方面，在研究过程中结合实际情况分析目前常用的直流电压等级，研究当下电动汽车直流充电口的电压以及其他常用设备的直流配电电压等级。
分析重压直流配电网的结构，配电网存在不同类型，辐射型属于电网中的基础结构，同时在网络中每个负责只可以从一条路，将获取电能辐射型结构是发展初期为满足人们用电需求而设立的供电方式。
环形拓扑包含直流母线与多条直流线路分布在储能设备分布式电源等处，可以借助电网结构分设类型。
通过环状电网有多条路径，提高配网供电的安全性、可靠性、但是因为系统保护配置过于复杂，同时具备投资量大的特质，所以不具备良好的实用性。
两端供电结构使用两路电源可以一路供电，另外一路充当备用电源，两端供电可以根据需要同时完成负荷供电。
4-3交直流混联系统的潮流
换流器的功能是把三相交流电变换成直流电或直流电变换成三相交流 电，前者称为整流，后者称为逆变。相应的换流设备称为整流器和逆 变器。换流器中最基本的元件是阀元件，现代高压直流输电系统所用 的阀元件为普通晶闸管。为了满足所需的电压和电流需要，用于直流 输电的换流器可由一个或多个换流桥串并联组成，换流桥为三相桥式 换流电路，有6个桥臂，桥臂由阀元件组成。
电力系统发生紧急功率缺口时应对更灵活快捷。
电力系统暂态过程中，当快速大幅度调整输送功率时，交流系统 的原动机并不立即承担全部功率增量，只是系统频率发生相应变 化。系统1频率下降，系统2频率升高，相当于先将系统1中所有转 动设备的动能转化为电能传输给了系统2，系统1的频率可以在随 后增加原动机出力后逐渐恢复。
4-3 交直流混联系统的潮流计算方法
计算方法：
1. 统一迭代法（联合求解法） 以极坐标形式下的牛顿法 为基础，将交流节点电压的幅值和相角与直流系统中的 直流电压、直流电流、换流器变比、换流器的功率因素 及换流器控制角统一进行迭代求解。 交替迭代法 在迭代过程中，将交流系统方程和直流系 统方程分别进行求解。在求解交流系统方程时，将直流 系统用接在相应节点上的已知其有功和无功功率的负荷 来等值。而在求解直流系统方程时，将交流系统模拟成 加在换流器交流母线上的一个恒定电压。
交、直流系统输电功率相 同的情况下，直流输电达到 一定距离时，建设换流站多 花费的投资恰好被直流输电 线路节省的投资完全补偿， 则称这个距离为交、直输电 的等值距离。随着电力电子 技术的进步，直流输电技术 的关键元件换流阀的耐压值 和过流量大大提高，造价大 幅下降，直流输电经济性优 势日益显著。
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2. 潮流计算方程式
输电方式的发展
电力工业萌芽阶段，以爱迪生（1847～1931）为代表的直 流派主张从发电到输电都采用直流，以西屋（1846～1914） 为代表的交流派则主张从发电到输电都采用交流。 由于多台发电机同步运行问题的解决以及变压器、三相感 应电动机的发明和完善，交流系统在经济技术上优越性日 益突出，以致取得主导地位。 如今，直流输电技术进一步发展，优势也逐步体现， HVDC（High Voltage Direct Current）在世界各大电力系 统中应用渐增，使得现代电力系统成为交流中包含直流输 电系统的交直流混联系统。 我国第一条大型直流输电线路工程－葛洲坝到上海 ±500kV、1080km高压直流输电线路已于1990年投入运行
所谓直流输电是将发电厂发出的交流电用整流器变 换成直流，经直流线路送至受端，再经逆变器变换 成三相交流后送往用户。
4.2 直流输电的基本原理
最简单的直流输电系统，它由直流输电线路、两 端的换流站组成。 换流站中主要设备有：换流器、换流变压器、平 波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、无功补偿 设备和断路器。 功率传输从交流系统1开始，经整流变压器送入整 流器变成直流；然后通过直流输电线路送至逆换 流器，变成三相交流后再经逆换流变压器送给交 流系统2。显然，直流线路输送的完全是有功功率。
4-3 交直流混联系统的潮流计算方法
计算方法：
1. 统一迭代法（联合求解法） 以极坐标形式下的牛顿法 为基础，将交流节点电压的幅值和相角与直流系统中的 直流电压、直流电流、换流器变比、换流器的功率因素 及换流器控制角统一进行迭代求解。
2. 交替迭代法 在迭代过程中，将交流系统方程和直流系 统方程分别进行求解。在求解交流系统方程时，将直流 系统用接在相应节点上的已知其有功和无功功率的负荷 来等值。而在求解直流系统方程时，将交流系统模拟成 加在换流器交流母线上的一个恒定电压。
1. 远距离大功率输电； 2. 海底电缆输电（如向海岛输电）； 3. 通过地下电缆向大城市供电； 4. 交流系统互连。不同额定频率系统间或非同步运行的系
统联络（既要实现联网又要保持各自相对独立性）；
5. 配合新能源发电。如风力发电、太阳能发电等这些发电 方式不能保证工业频率，需先整流成直流传输然后逆变 成工频交流，以实现与交流系统并联运行
1. 标幺值下的换流器基本方程
基本关系 功率取 电压取 有
UdB RdBIdB PdB UdBIdB PdB SB 3UBIB
U dB
32
nt kTBU B
I dB
PdB U dB
6ntkTB IB
RdB
UdB I dB
3
nt X cB
X cB
6
nt
k
2
TB
Z
B
U d* kT*U t* cosd X c*Id* Ud* k kT*U t* cos
换流变压器的作用是通过调节其变比可方便地控制系统的 运行状态。
荆州至惠州博罗响水镇±500kV、3000MW、940km线路， 安顺至肇庆±500kV、3000MW、980km线路，三峡至上 海练唐±500kV、3000MW、940km线路、陕西至河南灵 宝、邯郸至新乡等多条高压直流输电陆续投入运行。
2010年6月18日云广特高压±800kV直流输电工程双极竣工 投产，这是西电东送项目之一，也是世界首条±800kV直 流输电工程，该输电线路工程西起自云南楚雄变电站，经 过云南、广西、广东三省辖区，东止于广东曾城穗东变电 站。
交、直流系统输电功率相 同的情况下，直流输电达到 一定距离时，建设换流站多 花费的投资恰好被直流输电 线路节省的投资完全补偿， 则称这个距离为交、直输电 的等值距离。随着电力电子 技术的进步，直流输电技术 的关键元件换流阀的耐压值 和过流量大大提高，造价大 幅下降，直流输电经济性优 势日益显著。
高压直流输电主要用于:
2000年±500kV、1800MW天生桥－广州超高压直流输电 线路投入运行，线路全长980km。
2003年±500kV、3000MW三峡－常州超高压直流输电线 路投入运行，线路全长890km。
由于我国幅原辽阔，一次能源分布不均衡，动力资源与重 要负荷中心距离很远，因此我国的送电格局是“西电东送” 和“北电南送”。
3. 利用现代控制技术，直流输电通过对换流器的 控制可以快速地（毫秒级）调整线路上的功率， 从而提高交流系统的稳定性。
4. 无充电电流，不需为了抑制容性电压升高而并 联电抗器补偿。这点对于海底电缆长距离输电 意义特别重要。
5. 可限制短路电流，线路短路暂态过程中电流不 会超过2倍额定直流值
直流输电的主要缺优点
1. 换流站造价高 2. 要消耗较大的无功功率 3. 换流装置在交流侧和直流侧都要产生谐波电压
和电流，使变压器和电容器产生附加损耗和发 热，并对控制和通信带来干扰 4. 没有过零点，熄弧困难，还没有成熟的高压直 流断路器
直流输电的主要缺点：换流站的投资大。然而增 加的这部分投资可因线路投资小而得到补偿。
系统运行的稳定性
电力系统中的各同步发电机只有在同步运行(即所有发电机以相同的速 度旋转且转子相对角差较小)状态下，才能使送出的电功率为定值， 并维持系统中任何点的电压、频率和功率潮流为定值。如果某些 发电机之间不能维持同步运行，其送出的电功率以及相应节点的 电压及相应线路的潮流将发生大幅度的周期性振荡，如果失去同 步的机组之间不能迅速恢复同步，系统的供电质量就无法继续保 证，即电力系统失去了稳定运行的状态。
显然，我国已跨入交直流混合大电网时代。
直流输电的主要优点
1ห้องสมุดไป่ตู้ 线路造价低。导线电流密度相同的情况下，输送同样的功 率三相交流输电需三根导线，而直流输电仅需两根导线。 因而节省了材料，并减少了线路功率损耗（约少1/3)
2. 交流输电的主要问题之一是稳定性问题，大容量长距离输 电将使线路建设投资大大增加。直流输电不仅不存在稳定 性问题，与交流输电线路并列运行时还能提高交流系统的 稳定性。直流输电系统可以联结两个不同步或者频率不同 的交流系统。