强直弱交的定义、内涵与形式及其应对措施

摘要：交直流混联电网中，交流与直流既相互支撑，同时也相互耦合交互作用，2 者结构发展的均衡态势，将会深刻影响电网运行特性。当前，我国电网已基本形成特高压交直流混联新格局，电力工程界与学术界对其呈现出的新特性取得广泛共识，并高度概括为“强直弱交”特性。然而，目前尚缺乏对强直弱交的系统性论述。为此，在回顾交直流电网发展历程的基础上，提出了强直弱交的定义，剖析并阐释了其内涵，指明强直弱交的主要表现形式及其对电网安全稳定运行的威胁。在此基础上，为保障强直弱交型混联电网安全运行，从稳定标准修编完善、交直流混联电网协调发展以及构建大电网安全综合防御体系等 3 个方面，提出了应对措施的建议。

关键词：交流输电;直流输电;混联电网;强直弱交;安全稳定;应对措施

0 引言

电力工业是推动国民经济发展和社会文明进步的基础性能源产业之一。电力工业发展是永恒持续的，满足经济社会日益增长的用能需求、适应能源产业变革，是推动其发展的外因;实现调控灵活、促进节能降耗、保障安全稳定，则是推动其发展的内因。

广义电网即电力系统，是由发、输、变、配、用 5 个主要环节构成的统一整体，实现电能生产、传输、分配与消费[1]。交流输电与直流输电，是输电环节中的 2 种典型形式，具有不同的技术特点与经济优势，前者适用于地区电网和区域电网组网，实现网内电能传输与交换，后者则适用于跨大区远距离大容量送电，实现区域间资源优化配置[2-3]。我国电网在局部地区电网兴起和完善的基础上，逐步演化形成省级电网和多省联合的区域电网，并于 20世纪 90 年代至 21 世纪初，开展了邻近区域电网交流弱互联的工程实践[4];与此同时，在 20 世纪 90年代，以三峡送出工程为契机，拉开了利用直流进行区域电网互联的全国联网序幕[5];2008 年晋东南—南阳—荆门 1000kV交流工程投运和 2010年四川向家坝—上海奉贤±800kV/6400MW 直流工程投运，标志着我国已步入区域电网大容量特高压交直流互联新时代[6-7]。

对应电网发展进程，我国输电网主导形态依次经历了纯交流阶段、超高压小容量直流与交流混联阶段，以及特高压大容量直流与交流混联的当前发展阶段。随着特高压直流容量由 6400MW 逐渐增大至 7200MW、8000MW 和 12000MW，以及单一直流落点发展为多直流送出和馈入密集落点，与纯交流电网和超高压小容量直流与交流混联的电网(以下统称为传统电网)相比，当前交直流混联电网的特

性已发生深刻变化。电力工程界与学术界高度关切这一特性变化，在综合电网运行控制实践以及计算分析和研究思考的基础上，高度概括了当前特高压交直流混联电网的新特性—强直弱交(strong HVDC and weak AC system，SDC-WAC)特性。然而，迄今为止，围绕强直弱交及其相关问题的阐述，尚缺乏系统性。有鉴于此，本文立足于大电网安全稳定分析与控制，明确提出了强直弱交的定义及其具体内涵，梳理了该特性下交直流混联电网安全稳定面临的风险及其表征形式。为保障强直弱交型混联电网安全运行，围绕稳定标准修编完善、混联电网协调发展以及构建大电网安全综合防御体系等不同方面，提出了相关应对措施的建议。

1 交直流电网发展及其特征

1.1 交直流电网发展概况

为满足大型水电基地、大型火电基地以及大型新能源发电基地开发和“西电东送”需求，自 2010年起，复奉、锦苏、宾金以及天中、灵绍等特高压直流相继投运。根据电网发展规划，到 2018 年，还将投运祁韶、昭沂、扎青、吉泉等多回特高压直流，如表 1 所示。届时，区域电网间特高压直流互联格局如图 1 所示，总容量将达到 93600MW。

与此同时，区域电网间交流联网仍维持华北与华中经晋东南—南阳—荆门 1000kV 交流互联的格局。各区域电网内部则以 500kV 交流为主干输电网。

1.2 交直流混联电网发展特征

1.2.1 直流输电系统发展特征

特高压交直流混联大电网中，直流输电系统的发展具有如下新特征[8-9]。

图1 2018 年国家电网区域间特高压直流互联格局

1)单一直流送电功率实现聚合化。以吉泉直流为例，双极送电功率达到 12000MW，相当于4回±500kV/3000MW 超高压直流。直流故障所激发的扰动功率显著增大。

2)送受端多直流落点凸现密集化。以四川电网复奉、锦苏、宾金送出直流，宁夏电网昭沂、灵绍、宁东送出直流，以及华东电网吉泉、宾金、灵绍等馈入直流为例，送受端均已形成多个近电气距离落点的直流群。直流与直流、直流与交流之间强电气耦合，相互影响和相互作用程度加剧。

3)区域直流互联格局显现复杂化。连接西南—华东电网的复奉、锦苏、宾金直流，连接西北—华中、西北—华北的天中、昭沂直流，以及连接西北—华东、西南—华东的吉泉、宾金直流等，分别形成了多直流同送端同受端、同送端不同受端、不同送端同受端的区域电网互联格局。多回直流扰动功率叠加以及扰动经直流跨区接续传播，将增大冲击幅度与冲击影响范围。

4)直流功率汇集方式呈现多样化。以复奉、祁韶和扎青直流为例，功率汇集方式分别为配套电源就近供电、配套电源与网内风电打捆供电，以及全网多类型电源汇集供电等不同形式。后 2 种方式下，直流故障易引发大范围潮流涌动。

1.2.2 交流电网发展特征

在直流输电系统以及风电、光伏等新能源快速发展的共同影响下，交流电网已呈现出新的显著特征，即电力电子化特征[10-11]。其对电网的影响，具体表现在如下 2 个方面。

1)常规电源的替代容量增大，电网调节能力下降。在受端，以华东电网为例，直流馈入总容量占总负荷比例可高达 40%以上。在送端，以西北电网为例，基于电力电子变频器的风电、光伏等新能源并网容量与区内负荷水平基本相当。直流馈入和新能源并网引起的火电、水电等常规电源替代效应，将使交流电网转动惯量水平相对减少，频率调节能力下降;同时，动态电压支撑能力减弱，电压调节能力下降。

2)电源耐频耐压性能降低，电网抗扰动能力弱化。基于电力电子变频器的风电、光伏等新能源电源，其耐受高频、低频以及高电压、低电压的能力较常规电源弱，电网受扰后，新能源电源易出现规模化脱网。

此外，受短路电流、输电走廊等客观因素制约，区域电网内部的 500kV 交流主干输电网，其关键输电通道和输电断面的潮流承载能力增长有限。相对持续增长的直流送电功率，交流电网承载直流故障引发的转移潮流的能力已显出不足。

2 强直弱交的定义与内涵

2.1 强直弱交的定义

特高压交直流混联，已使电网特性发生了深刻变化[8]。针对电网呈现出的新特性，国内工程界和学术界已取得广泛共识，并将其高度概括为“强直弱交”特性[12-15]。

综合已有认识，本文对这一特性做出如下定义，即强直弱交指的是，超特高压交直流电网中，交流与直流 2 种输电形态在其结构发展不均衡的特定阶段，直流有功、无功受扰大幅变化激发起的超出既定设防标准或设防能力的强扰动，冲击承载能力不足的交流薄弱环节，使连锁故障风险加剧，全局性安全水平明显下降的混联电网运行新特性。

2.2 强直弱交的内涵

强直弱交，是对混联电网特性的定性描述，其具体内涵，涉及以下 5 个方面。

1)传统电网中，交流与直流是主从关系，直流扰动不会显著影响交流电网正常运行;强直弱交型混联电网中，交流与直流是相互依存关系，直流平稳运行已成为交流安全的重要前提。

2)强直即是强冲击。强直非绝对的强，是相对弱承载的强，表现为不平衡有功和无功的冲击幅度大，包括单回特高压直流大容量送电功率瞬时中断或持续闭锁，以及多回直流扰动功率叠加累聚等形式。

3)弱交即是弱承载。弱交非绝对的弱，是相对强冲击的弱，表现为不平衡有功和无功承载能力不足，包括潮流转移能力不足、频率和无功电压调节能力不足，以及新能源设备对大频差和大压差的耐受能力不足等形式。

4)强直弱交对混联电网稳定性威胁主要体现在 2 个方面，即单一故障向连锁故障转变和局部扰动向全局扰动扩展。强直激发的大量不平衡有功、无功，冲击承载能力不足的弱交流系统，当潮流、频率、电压等电气量变化幅度相继超过不同薄弱环节的耐受能力，单一故障将向连锁故障转变;直流送受端强耦合，使扰动经直流向跨区电网传播，加之多回直流扰动功率叠加放大，局部扰动将向全局扰动扩展。

5)安全稳定设防标准决定故障防控级别，调控资源的广度与深度决定故障防控措施，2 者均影响交流电网抵御冲击的能力。面向发展中的交直流混联电网，及其呈现出的大有功、大无功冲击，既定的设防标准和控制措施，将制约平抑和疏散冲击功率、隔离和阻断扰动传播等能力，会使强直冲击下弱交承载能力不足的矛盾更为突出。

3 强直弱交型混联电网的稳定威胁形式

3.1 强直弱交型混联电网主导稳定形态

强直弱交型混联电网中，交流电网发挥着基础性支撑作用，其稳定与否直接关乎电网功能—连续可靠供电能否实现。因此，混联电网失稳，其核心仍为交流电网失去稳定，表现为故障冲击下交流电网的有功、无功不能达到平衡，电网中发电机功角、母线电压、系统频率等关键电气量大幅变化，且无法恢复至新的稳定运行状态。与此对应，强直弱交型混联电网的主导稳定形态仍为功角稳定、电压稳定和频率稳定 3 种[16]。

与纯交流电网不同，在交直流混联电网中，直流电流源型换流器电网换相，可使交流故障激发的扰动能量显著增大;直流换流器有功无功强关联、交流与直流强耦合，使交流电网多稳定形态交织;直流控制方式与控制逻辑转换引起的交直流交换功率非线性变化，使交流电网受扰行为更加复杂。

在强直弱交型混联电网中，特高压直流大容量输电显著增大了扰动所能激发的不平衡功率，电网稳定性威胁形式呈现新变化，如第 2.2 节所述，表现为单一故障向连锁故障转变和局部扰动向全局扰动扩展 2 个方面，其发生、发展形式如图 2 所示。

3.2 单一故障向连锁故障转变

在强直弱交型混联电网中，交流单一故障和直流单一故障向连锁故障转变的风险，均显著增大，具体表现如下。

对于直流馈入的受端电网，交流单一短路故障引发近电气距离多回直流同时换相失败，有功瞬时中断激发的扰动冲击相互叠加，易导致系统功角振荡，位于振荡中心近区的直流逆变站则会因电压大幅跌落，存在连续换相失败甚至永久闭锁风险[17];多回直流换相失败后有功同时恢复提升过程中，逆变站从交流电网吸收大量无功，存在因交流电压无法恢复导致发电机过励跳闸、电动机低压脱扣等风险[18-19]。

对于直流外送的送端电网，交流单一短路故障后，受直流有功恢复延迟影响，配套电源出力受阻程度增大，机组加速使局部地区面临短时频率骤升，易导致邻近风电、光伏等新能源高频脱网[10];单一直流闭锁等故障，滤波器切除前过剩无功注入交流电网使局部电网面临过电压冲击，易导致新能源高压脱网[20-21]。

此外，单一特高压直流送出功率占区域电网发电比例，或馈入功率占区域电网负荷比例较大的场景中，直流闭锁引起的送、受端电网功率盈余和缺额，易导致高频切机、低频减载动作[22];直流闭锁后转移潮流冲击交流输电瓶颈，易引发线路过负荷跳闸等，均是强直弱交型混联电网中单一故障向连锁故障转变的重要形式[23-24]。

图2 强直弱交型混联电网稳定威胁的发生、发展形式

3.3 局部扰动向全局扰动扩展

区域电网间多回直流互联，已形成同送端同受端、同送端不同受端、不同送端同受端等多种复杂格局，送、受端电网之间关联耦合更加紧密。因激发起直流功率大幅波动，局部交流电网的故障扰动，已呈现向跨区电网乃至全网扩展蔓延的趋势。

具体表现在如下 3 个方面。

1)受端交流短路故障导致逆变器换相失败，在换相失败结束直流功率恢复过程中，整流站将有大量盈余容性无功注入送端电网，易导致风光新能源高压脱网，并继而威胁送端频率安全[25]。

2)区域电网直流同送端同受端互联格局中，受端交流单相永久接地、单相开关拒动等故障，因换相失败导致的多回直流同时多次功率瞬时跌落，将使不平衡加速能量叠加累聚，易导致送端电网失去暂态功角稳定[26-27]。

3)区域电网直流同送端不同受端、不同送端同受端 2 种互联格局中，以前者为例，送端交流电网故障，将导致受端落点于不同区域电网的直流的功率同时波动，若受端区域电网间存在薄弱的交流联络线，则易使其功率出现大幅涌动，甚至导致联络线功率因超过静稳极限而使互联电网解列[8]。

需要指出的是，单一故障向连锁故障转变与局部扰动向全局扰动扩展，不是相互独立、相互排斥的，而是相互交织、相互推进的，是同一受扰动态过程中的 2 种表现形式。

4 应对强直弱交型混联电网的相关措施

4.1 提升混联电网安全稳定水平的 3 个方面

保障电网安全的相关措施，需与电网稳定特性相适应。电网是永恒发展的，不同发展阶段具有不同的稳定新特性，因此，保障电网安全的相关措施，也面临不断发展的新要求。

针对强直弱交型混联电网，亟需围绕修编完善安全稳定标准、协调发展直流与交流输电系统、构建大电网安全综合防御体系等 3 个方面，研究制定与其新特性相适应的措施，有效应对单一故障向连锁故障转变、局部扰动向全局扰动扩展，保障电网安全运行。

4.2 修编完善安全稳定标准

安全稳定标准，是在兼顾经济性和安全性的基础上，制定的保障电网安全可靠供电、稳定连续运行的系列准则，是电网规划建设与调度运行的纲领性、强制性和规范性文件。其中，明确规定了电网应具备的故障冲击抵御能力、故障设防原则，以及控制措施选择依据。

长期以来，我国电网规划建设与调度运行中的安全稳定标准，均遵从《电力系统安全稳定导则》和《电力系统安全稳定控制技术导则》(以下简称原导则)，并据此构建了安全稳定三道防线体系，有效保障了电网在以往各发展阶段的安全稳定运行[28-31]。

然而，随着传统电网向强直弱交型混联电网快速演变，针对新出现的对电网稳定威胁较大的故障或扰动，如特高压直流换相失败和直流故障再启动等，原导则在故障设防原则等相关内容中显现出了空白。此外，与传统电网中严重故障冲击程度相当的单一故障，如大容量特高压直流单极闭锁等，原导则中对应的设防原则也应予以重新审视。

为此，针对强直弱交型混联电网稳定控制新要求，应在科学论证的基础上，适时修编和完善相关标准。

4.3 协调发展直流与交流输电系统

合理的电网结构，是电力系统安全稳定运行的物质基础[32]。面向强直弱交型混联电网，协调直流与交流输电系统发展，提升电网安全稳定水平，涉及减少直流的冲击发生概率、增强交流的冲击承载能力 2 个方面。

减少直流的冲击发生概率，主要是降低直流逆变器换相失败发生概率。一方面，可采用优化晶闸管固有关断时间、优化换相失败预测方法等技术;另一方面，可采用电容换相或电压逆变器，替代电流源型逆变器。

增强交流的冲击承载能力，可采取如下措施。

1)优化交流一次主干网架，适应直流有功强冲击。消除输电瓶颈约束，增强交流主网潮流灵活转运和疏散能力;科学布局直流落点，抑制多回直流受扰功率的叠加累聚效应。

2)加强动态电压支撑能力，适应直流强无功冲击。充分利用已建的常规发电机组，优化布点新建的调相机以及增建的 SVC、STATCOM 等无功源，为直流换流站提供充裕的动态无功，支撑交流电压快速恢复。

3)改善源网控制及其协调控制能力。优化机组励磁、调速以及 PSS 等调节控制系统，增加FACTS 设备附加阻尼等控制功能;通过虚拟同步发电机等先进适用技术，增强风电、光伏等新能源参与电网频率、电压调控的能力。

4)增强风电、光伏新能源发电设备的扰动耐受能力。提升新能源变频器的低频、低压和高频、高压耐受能力等相关涉网标准，降低直流强冲击下新能源大规模脱网及其引发的连锁故障风险。

4.4 构建大电网安全综合防御体系

4.4.1 现有稳定控制措施的不适应性

现有稳定控制措施，以《电力系统安全稳定导则》和《电力系统稳定控制技术导则》为既定设防标准，以常规切机、切负荷为主要控制资源，以相互独立的输变电工程为需求依托，在面对交直流混联电网强直弱交新特性时，已表现出不适应性，具体包括：应对大容量特高压直流强冲击，难以满足控制措施量的要求;单一集中控制措施，难以应对单一故障向连锁故障的转变;控制措施组织协调能力，难以应对局部扰动向全局扰动扩展的变化。

鉴于以上诸多不适应性，应构建大电网安全综合防御体系，增加控制的资源类型、拓展控制的空间分布、满足控制的时序逻辑、增强控制的协调能力，适应强直弱交型混联电网的稳定控制新要求。

4.4.2 安全综合防御体系的目标

大电网安全综合防御体系，以现有安全稳定三道防线为基础，依托先进的信息通讯技术，实现对电网多频段、高精度的全景状态感知;基于故障诊断和动态响应轨迹，实现多场景、全过程的实时智能决策;整合广泛分布于全网的多种控制资源，实现有序、分层的一体化协同控制，通过缓解强直的故障冲击、强化弱交的承载能力，达到有效降低大电网安全运行风险的目标。

4.4.3 安全综合防御体系的一体化协同控制

实现安全综合防御的一体化协同控制，包括4个具体方面，即多资源统筹控制、多地域配合控制、多尺度协调控制以及多目标联合控制。

1)多资源统筹控制。在传统单一切机、切负荷控制的基础上，统筹利用直流功率控制、抽蓄切泵控制、调相机控制、新能源紧急有序控制等各种可控资源，增加应对强冲击的可控容量。

2)多地域配合控制。针对扰动冲击的高强度和大范围，匹配并整合不同地域、不同电压等级的控制资源，实现大范围立体配合控制，消除瓶颈约束，增强弱交的承载能力。

3)多尺度协调控制。针对不同稳定形态的时间尺度特征和各类控制资源的时效性，通过毫秒级、秒级和秒级以上控制的相互协调，实现系统动态过程的全覆盖。

4)多目标联合控制。综合利用不同时间尺度和不同空间范围内的各种控制措施，联合应对故障演变全过程中的不同稳定问题，抑制扰动冲击、阻断连锁反应，提升系统稳定裕度，防止系统崩溃。

4.4.4 关键支撑技术

构建大电网安全综合防御体系，是一项复杂的系统工程。其中，为保障多资源参与的一体化协同控制有效实施，需围绕以下 5 个方面，开展关键支撑技术攻关。

1)电力电子化源网荷精细化仿真技术。包括：

拓扑结构高频变换的电压源换流器高效精准仿真、新能源发电集群的外特性聚合模拟、基于实际工程的直流控制与保护逻辑建模与仿真、分布式电源高渗透型综合负荷的特性建模与仿真，乃至基于超级计算机群的交直流混联大电网全电磁暂态仿真等。

2)强直弱交型混联电网大扰动行为机理。包括：大扰动冲击下，直流换流站多时间尺度功率响应特征及关键影响环节识别;复杂扰动场景下，交直流、多直流以及直流送受端交互作用机制，及其对混联电网多形态稳定性影响机理;强直弱交型混联电网连锁故障发展路径识别及隔离阻断技术。

3)混联电网稳定态势表征方法与评估指标。包括：在传统直流短路比及其门槛值 3.0 静态量化评估交流电网强弱的基础上，进一步提出计及有源设备受扰行为特征的动态量化评估指标;混联电网多形态稳定性与受扰电气量之间的关联映射方法;表征稳定性演化态势的关键电气量特征识别技术;基于关键电气量响应轨迹的稳定性定量评估指标。

4)混联电网协调控制基础理论与方法。包括：适应强直弱交型混联电网非线性特征的多资源、多目标综合协调控制基础理论;计及连续与离散特点、集中与分布特征、响应时间尺度差异特性的多资源协调控制方法，以及大电网综合协调控制的体系架构设计方法。

5)大容量先进适用控制技术。包括：不同响应速度的规模化精准负荷控制技术、基于电力电子的大容量电气制动技术，以及大容量储能的多速率能量调控技术等。

5 结论

1)强直弱交，是交流与直流 2 种输电形态在结构发展不均衡的特定阶段所呈现出的混联电网新特性，表现为直流受扰有功、无功冲击幅度大，以及交流电网承载冲击的能力不足。

2)单一故障向连锁故障转变、局部扰动向全局扰动扩展，是威胁强直弱交型混联电网稳定运行的新形式。2 者相互交织、相互推进，使大面积停电风险加剧。

3)针对传统电网制定的安全稳定标准，尚缺乏直流换相失败、直流故障再启动等故障或扰动的设防原则。此外，面向强直弱交型混联电网，需重新审视与传统电网中严重故障冲击程度相当的单一故障的设防标准。

4)协调直流与交流输电系统发展，涉及减少直流的冲击发生概率、增强交流的冲击承载能力2个方面。前者主要包括直流控制系统优化和逆变器性能改进;后者则主要包括优化交流主干网架、加强电压支撑能力、改善网源协调能力以及提升设备扰动耐受能力等。

5)面向强直弱交型混联电网，现有稳定控制措施已出现诸多不适应。为保障电网安全稳定，应构建大电网安全综合防御体系，实现具备多资源统筹、多地域配合、多尺度协调和多目标联合能力的一体化协同控制。【（郑超，马世英，申旭辉，刘道伟 (电网安全与节能国家重点实验室(中国电力科学研究院)，北京市 海淀区 100192)】

北极星智能电网在线官方微信