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柔性直流输电系统风险评估研究
作者：王雪杰
来源：《中小企业管理与科技·上旬刊》2013年第05期
摘要：柔性直流输电系统作为一种新兴的输电方式具有其特殊的优势，由于其发展起步较晚，关于其运行风险的相关研究尚处于空白阶段。本文提出柔性直流输电系统风险评估课题，通过介绍柔性直流输电系统、建立风险评估目标，阐述了柔性直流输电系统风险评估平台建立、模型设计及运行仿真、系统可靠性运行分析以及风险评估体系建立的相关内容及研究思路，可为今后开展这一课题的相关研究起到一定的指导作用。 关键词：柔性直流输电系统 风险评估 可靠性 经济效益 0 引言
电力作为国民经济的基础产业，对经济社会发展和人民生活起着重要的支撑和保障作用。建设和发展互联电力系统为更好地综合利用分散的各种能源、减少系统的装机容量和投资，增强系统中各部分间的相互支援能力开辟了新的途径，对提高电力系统运行的安全性与可靠性、建立一个开放的电力市场具有重要的战略意义。区域间的电网互联已经成为当前电力系统发展的总趋势之一。
目前，电力系统互联方式主要通过交流系统间的并联来实现，随着用电领域和地域不断扩大，电网规模迅速膨胀，一些交流输电难以跨越的技术问题如远距离大功率输电、非同步联络等问题也就随之而来。
高压直流输电系统（HVDC system）因能够解决上述技术问题而得到了广泛应用。自1954年世界上第一条商业化高压直流输电线路诞生于瑞典以来，伴随着以晶闸管为代表的电力电子器件的发展，高压直流输电系统已经向大容量、轻型化方向发展。 1 柔性直流输电系统
传统的高压直流输电系统中的晶闸管阀属于半控型器件，没有自关断电流的能力，且开关频率较低，其正常运行需要受电端必须有一个相当大容量的电力系统来提供足够的换相电流，因此，使得其换流性能受到很大的约束。
随着电力电子器件和控制技术的发展，全控型电力电子器件绝缘栅双极晶体管（IGBT）已应用于高压直流输电系统中，称之为柔性高压直流输电系统（HVDC-Light）。柔性直流输电系统克服了传统直流输电系统中的换相失败，必须连接于有源网络的弱点，且具有运行控制方式灵活多变，减弱系统谐波，有效提高系统电能质量的优点。
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柔性直流输电系统工程自投入工业试验运行以来仅有14年的历史，但已得到了长足的发展。截至2010年底，全世界共装设柔性直流输电工程约250万千瓦，输电线路长度累计2000公里，其中2010年建设容量约50万千瓦，增长率为25%。根据目前的发展速度估计，到2020年，全世界柔性直流输电工程总容量将接近1000万千瓦，届时将成为一种重要输电方式。我国第一个20MW柔性直流输电工程——上海南汇风电场柔性直流输电工程也已于2011年5月3日投入试运行，标志着我国柔性直流输电系统已发展到一个崭新的阶段。
目前，由于自然资源的相对丰富，我国东北地区火电机组装机容量过剩，并已经形成“窝电”现象，造成了资源不必要的浪费。因此，“北电南送”已经成为我国输电建设的又一战略构想。柔性直流输电系统为实现这一构想带来了契机，通过其强大的可控性可将东北富余的电能送到用户负荷增长较快的华北、甚至南方地区。
直流输电技术逐渐从根本上改变了人们对传统输电方式观念的同时，由于其起步较晚，相关理论技术支撑不足，依然将面临着前所未有的巨大挑战。例如2006年5月24日发生的贵广直流输电系统肇庆换流站发生的由于交直流功率偏差過大而发生的双极跳闸事故；2009年6月云广±800kV直流输电工程出现直流量测量通道故障等，都是直流输电工程投入所带来的新问题。柔性直流输电系统的技术特点较常规直流输电系统更为复杂，其所面临的问题也就将更多。
柔性直流输电系统由换流站、交流系统和直流输电线路三部分构成，如图1所示，设备相对复杂，任何一部分发生故障，都有可能危及整个系统的安全运行。此外，柔性直流输电系统由主电路和控制器共同完成功能的实现，二者协同完成高压直流电能的传输，所以在研究过程必须综合考虑二者的性能。
2 柔性直流输电系统风险评估研究目标
通过研究柔性直流输电系统的电能变换、传输原理及其电能控制技术，搭建一套柔性直流输电系统仿真模型，实现其风险评估中模拟故障的发生。通过调研，总结系统故障发生的概率模型，结合制定的风险评估指标，在充分辨识柔性直流输电系统现场所存在的危险因素和事故隐患的情况下，对柔性直流输电系统进行风险评估，解决其中各参数灵敏度对风险度影响的大小的判定方法。对风险控制方法的经济效益进行评价，以解决风险控制方法优化选取的问题，促进本文提出的柔性直流输电系统风险评估技术能够得到大规模的利用。 3 柔性直流输电系统风险评估研究内容 3.1 柔性直流输电系统风险评估平台
构建如图2所示的柔性直流输电系统风险评估平台示意图，主要包括仿真系统的建立、风险评估体系建立、风险评估经济效益分析三大部分构成，其中风险评估体系建立又包括安全性评估体系建立和可靠性运行分析两个子功能块。
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3.2 柔性直流输电系统模型设计及其运行仿真的实现
在我国，柔性直流输电系统作为一种新兴的输电方式，存在理论技术薄弱、运行数据缺乏等问题。因此，拟采用计算机仿真工具，将柔性直流输电系统模型复现到计算机上，使其能够按照研究者的意志模拟出各种故障类型，为后续的风险评估工作奠定基础。
前文已经提到，柔性直流输电系统由换流站、交流系统和直流输电线路三大部分组成。三大部分又各自包含其主电路及控制器，因此，可从系统的功率传输能力、电压稳定性、谐波抑制能力等指标来设计一套柔性直流输电系统，并在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC上搭建与调试。
3.3 基于模拟故障法的柔性直流输电系统可靠性运行分析
在对柔性直流系统有关标准、文献和现场充分调研的前提下，首先确定柔性直流输电系统可靠性评估指标，如各部分过电压指标、过电流指标等等。在调试成功的仿真模型上，设定某个故障工况，通过仿真结果来分析故障机理，探究给定故障工况对系统各部分之间影响的内在联系。
在研究过程中，提出了柔性直流输电系统可靠性分析中参数灵敏度的概念。参数灵敏度概念的提出旨在探究系统各个参数变化的程度对整个柔性直流输电系统可靠性的影响。将灵敏度由高至低排序，为运行人员对其更有针对性的控制提供依据。 3.4 柔性直流输电系统风险评估体系的建立
风险评估体系由可靠性评估体系和安全性评估体系两大部分构成。安全性评估主要针对于能够对人身和设备造成损伤的事件，称为危险有害因素或事故隐患。课题将结合柔性直流输电系统的特点，对其所含设备包括换流站、变压器、输电线路等的危险因素进行充分辨识，分析其可能产生的对人身和设备带来的伤害。
结合国家标准、行业规范及系统的实际情况，制定柔性直流输电系统安全性评估指标，并与本项目的可靠性评估分析一起，建立系统整体的风险评估指标。根据风险度的概念，风险度由事故发生概率及其严重程度成正比。事故的严重程度可分别由仿真运行及专家分析得出；发生概率可由相关文献及现场数据的调研中得到。
此外，还考虑到我国现代企业进行职业健康安全管理体系认证的需要。对柔性直流输电系统中的换流站进行职业健康分析与评价，这将有助于我国企业与国际的接轨。 3.5 柔性直流输电系统风险控制方法的经济效益评价