交直流混聯電網中，交流與直流既相互支撐，同時也相互耦合交互作用，2 者結構發展的均衡態勢，將會深刻影響電網運行特性。當前，我國電網已基本形成特高壓交直流混聯新格局，電力工程界與學術界對其呈現出的新特性取得廣泛共識，并高度概括為“強直弱交”特性。然而，目前尚缺乏對強直弱交的系統性論述。為此，在回顧交直流電網發展歷程的基礎上，提出了強直弱交的定義，剖析并闡釋了其內涵，指明強直弱交的主要表現形式及其對電網安全穩定運行的威脅。在此基礎上，為保障強直弱交型混聯電網安全運行，從穩定標準修編完善、交直流混聯電網協調發展以及構建大電網安全綜合防御體系等 3 個方面，提出了應對措施的建議。

　　關鍵詞：交流輸電;直流輸電;混聯電網;強直弱交;安全穩定;應對措施

　　0 引言

　　電力工業是推動國民經濟發展和社會文明進步的基礎性能源產業之一。電力工業發展是永恒持續的，滿足經濟社會日益增長的用能需求、適應能源產業變革，是推動其發展的外因;實現調控靈活、促進節能降耗、保障安全穩定，則是推動其發展的內因。

　　廣義電網即電力系統，是由發、輸、變、配、用 5 個主要環節構成的統一整體，實現電能生產、傳輸、分配與消費[1]。交流輸電與直流輸電，是輸電環節中的 2 種典型形式，具有不同的技術特點與經濟優勢，前者適用于地區電網和區域電網組網，實現網內電能傳輸與交換，后者則適用于跨大區遠距離大容量送電，實現區域間資源優化配置[2-3]。我國電網在局部地區電網興起和完善的基礎上，逐步演化形成省級電網和多省聯合的區域電網，并于 20世紀 90 年代至 21 世紀初，開展了鄰近區域電網交流弱互聯的工程實踐[4];與此同時，在 20 世紀 90年代，以三峽送出工程為契機，拉開了利用直流進行區域電網互聯的全國聯網序幕[5];2008 年晉東南—南陽—荊門 1000kV交流工程投運和 2010年四川向家壩—上海奉賢±800kV/6400MW 直流工程投運，標志著我國已步入區域電網大容量特高壓交直流互聯新時代[6-7]。

　　對應電網發展進程，我國輸電網主導形態依次經歷了純交流階段、超高壓小容量直流與交流混聯階段，以及特高壓大容量直流與交流混聯的當前發展階段。隨著特高壓直流容量由 6400MW 逐漸增大至 7200MW、8000MW 和 12000MW，以及單一直流落點發展為多直流送出和饋入密集落點，與純交流電網和超高壓小容量直流與交流混聯的電網(以下統稱為傳統電網)相比，當前交直流混聯電網的特

　　性已發生深刻變化。電力工程界與學術界高度關切這一特性變化，在綜合電網運行控制實踐以及計算分析和研究思考的基礎上，高度概括了當前特高壓交直流混聯電網的新特性—強直弱交(strong HVDC and weak AC system，SDC-WAC)特性。然而，迄今為止，圍繞強直弱交及其相關問題的闡述，尚缺乏系統性。有鑒于此，本文立足于大電網安全穩定分析與控制，明確提出了強直弱交的定義及其具體內涵，梳理了該特性下交直流混聯電網安全穩定面臨的風險及其表征形式。為保障強直弱交型混聯電網安全運行，圍繞穩定標準修編完善、混聯電網協調發展以及構建大電網安全綜合防御體系等不同方面，提出了相關應對措施的建議。

　　1 交直流電網發展及其特征

　　1.1 交直流電網發展概況

　　為滿足大型水電基地、大型火電基地以及大型新能源發電基地開發和“西電東送”需求，自 2010年起，復奉、錦蘇、賓金以及天中、靈紹等特高壓直流相繼投運。根據電網發展規劃，到 2018 年，還將投運祁韶、昭沂、扎青、吉泉等多回特高壓直流，如表 1 所示。屆時，區域電網間特高壓直流互聯格局如圖 1 所示，總容量將達到 93600MW。

　　與此同時，區域電網間交流聯網仍維持華北與華中經晉東南—南陽—荊門 1000kV 交流互聯的格局。各區域電網內部則以 500kV 交流為主干輸電網。

　　1.2 交直流混聯電網發展特征

　　1.2.1 直流輸電系統發展特征

　　特高壓交直流混聯大電網中，直流輸電系統的發展具有如下新特征[8-9]。

　　圖1 2018 年國家電網區域間特高壓直流互聯格局

　　1)單一直流送電功率實現聚合化。以吉泉直流為例，雙極送電功率達到 12000MW，相當于4回±500kV/3000MW 超高壓直流。直流故障所激發的擾動功率顯著增大。

　　2)送受端多直流落點凸現密集化。以四川電網復奉、錦蘇、賓金送出直流，寧夏電網昭沂、靈紹、寧東送出直流，以及華東電網吉泉、賓金、靈紹等饋入直流為例，送受端均已形成多個近電氣距離落點的直流群。直流與直流、直流與交流之間強電氣耦合，相互影響和相互作用程度加劇。

　　3)區域直流互聯格局顯現復雜化。連接西南—華東電網的復奉、錦蘇、賓金直流，連接西北—華中、西北—華北的天中、昭沂直流，以及連接西北—華東、西南—華東的吉泉、賓金直流等，分別形成了多直流同送端同受端、同送端不同受端、不同送端同受端的區域電網互聯格局。多回直流擾動功率疊加以及擾動經直流跨區接續傳播，將增大沖擊幅度與沖擊影響范圍。

　　4)直流功率匯集方式呈現多樣化。以復奉、祁韶和扎青直流為例，功率匯集方式分別為配套電源就近供電、配套電源與網內風電打捆供電，以及全網多類型電源匯集供電等不同形式。后 2 種方式下，直流故障易引發大范圍潮流涌動。

　　1.2.2 交流電網發展特征

　　在直流輸電系統以及風電、光伏等新能源快速發展的共同影響下，交流電網已呈現出新的顯著特征，即電力電子化特征[10-11]。其對電網的影響，具體表現在如下 2 個方面。

　　1)常規電源的替代容量增大，電網調節能力下降。在受端，以華東電網為例，直流饋入總容量占總負荷比例可高達 40%以上。在送端，以西北電網為例，基于電力電子變頻器的風電、光伏等新能源并網容量與區內負荷水平基本相當。直流饋入和新能源并網引起的火電、水電等常規電源替代效應，將使交流電網轉動慣量水平相對減少，頻率調節能力下降;同時，動態電壓支撐能力減弱，電壓調節能力下降。

　　2)電源耐頻耐壓性能降低，電網抗擾動能力弱化。基于電力電子變頻器的風電、光伏等新能源電源，其耐受高頻、低頻以及高電壓、低電壓的能力較常規電源弱，電網受擾后，新能源電源易出現規模化脫網。

　　此外，受短路電流、輸電走廊等客觀因素制約，區域電網內部的 500kV 交流主干輸電網，其關鍵輸電通道和輸電斷面的潮流承載能力增長有限。相對持續增長的直流送電功率，交流電網承載直流故障引發的轉移潮流的能力已顯出不足。

　　2 強直弱交的定義與內涵

　　2.1 強直弱交的定義

　　特高壓交直流混聯，已使電網特性發生了深刻變化[8]。針對電網呈現出的新特性，國內工程界和學術界已取得廣泛共識，并將其高度概括為“強直弱交”特性[12-15]。

　　綜合已有認識，本文對這一特性做出如下定義，即強直弱交指的是，超特高壓交直流電網中，交流與直流 2 種輸電形態在其結構發展不均衡的特定階段，直流有功、無功受擾大幅變化激發起的超出既定設防標準或設防能力的強擾動，沖擊承載能力不足的交流薄弱環節，使連鎖故障風險加劇，全局性安全水平明顯下降的混聯電網運行新特性。

　　2.2 強直弱交的內涵

　　強直弱交，是對混聯電網特性的定性描述，其具體內涵，涉及以下 5 個方面。

　　1)傳統電網中，交流與直流是主從關系，直流擾動不會顯著影響交流電網正常運行;強直弱交型混聯電網中，交流與直流是相互依存關系，直流平穩運行已成為交流安全的重要前提。

　　2)強直即是強沖擊。強直非絕對的強，是相對弱承載的強，表現為不平衡有功和無功的沖擊幅度大，包括單回特高壓直流大容量送電功率瞬時中斷或持續閉鎖，以及多回直流擾動功率疊加累聚等形式。

　　3)弱交即是弱承載。弱交非絕對的弱，是相對強沖擊的弱，表現為不平衡有功和無功承載能力不足，包括潮流轉移能力不足、頻率和無功電壓調節能力不足，以及新能源設備對大頻差和大壓差的耐受能力不足等形式。

　　4)強直弱交對混聯電網穩定性威脅主要體現在 2 個方面，即單一故障向連鎖故障轉變和局部擾動向全局擾動擴展。強直激發的大量不平衡有功、無功，沖擊承載能力不足的弱交流系統，當潮流、頻率、電壓等電氣量變化幅度相繼超過不同薄弱環節的耐受能力，單一故障將向連鎖故障轉變;直流送受端強耦合，使擾動經直流向跨區電網傳播，加之多回直流擾動功率疊加放大，局部擾動將向全局擾動擴展。

　　5)安全穩定設防標準決定故障防控級別，調控資源的廣度與深度決定故障防控措施，2 者均影響交流電網抵御沖擊的能力。面向發展中的交直流混聯電網，及其呈現出的大有功、大無功沖擊，既定的設防標準和控制措施，將制約平抑和疏散沖擊功率、隔離和阻斷擾動傳播等能力，會使強直沖擊下弱交承載能力不足的矛盾更為突出。

　　3 強直弱交型混聯電網的穩定威脅形式

　　3.1 強直弱交型混聯電網主導穩定形態

　　強直弱交型混聯電網中，交流電網發揮著基礎性支撐作用，其穩定與否直接關乎電網功能—連續可靠供電能否實現。因此，混聯電網失穩，其核心仍為交流電網失去穩定，表現為故障沖擊下交流電網的有功、無功不能達到平衡，電網中發電機功角、母線電壓、系統頻率等關鍵電氣量大幅變化，且無法恢復至新的穩定運行狀態。與此對應，強直弱交型混聯電網的主導穩定形態仍為功角穩定、電壓穩定和頻率穩定 3 種[16]。

　　與純交流電網不同，在交直流混聯電網中，直流電流源型換流器電網換相，可使交流故障激發的擾動能量顯著增大;直流換流器有功無功強關聯、交流與直流強耦合，使交流電網多穩定形態交織;直流控制方式與控制邏輯轉換引起的交直流交換功率非線性變化，使交流電網受擾行為更加復雜。

　　在強直弱交型混聯電網中，特高壓直流大容量輸電顯著增大了擾動所能激發的不平衡功率，電網穩定性威脅形式呈現新變化，如第 2.2 節所述，表現為單一故障向連鎖故障轉變和局部擾動向全局擾動擴展 2 個方面，其發生、發展形式如圖 2 所示。

　　3.2 單一故障向連鎖故障轉變

　　在強直弱交型混聯電網中，交流單一故障和直流單一故障向連鎖故障轉變的風險，均顯著增大，具體表現如下。

　　對于直流饋入的受端電網，交流單一短路故障引發近電氣距離多回直流同時換相失敗，有功瞬時中斷激發的擾動沖擊相互疊加，易導致系統功角振蕩，位于振蕩中心近區的直流逆變站則會因電壓大幅跌落，存在連續換相失敗甚至永久閉鎖風險[17];多回直流換相失敗后有功同時恢復提升過程中，逆變站從交流電網吸收大量無功，存在因交流電壓無法恢復導致發電機過勵跳閘、電動機低壓脫扣等風險[18-19]。

　　對于直流外送的送端電網，交流單一短路故障后，受直流有功恢復延遲影響，配套電源出力受阻程度增大，機組加速使局部地區面臨短時頻率驟升，易導致鄰近風電、光伏等新能源高頻脫網[10];單一直流閉鎖等故障，濾波器切除前過剩無功注入交流電網使局部電網面臨過電壓沖擊，易導致新能源高壓脫網[20-21]。

　　此外，單一特高壓直流送出功率占區域電網發電比例，或饋入功率占區域電網負荷比例較大的場景中，直流閉鎖引起的送、受端電網功率盈余和缺額，易導致高頻切機、低頻減載動作[22];直流閉鎖后轉移潮流沖擊交流輸電瓶頸，易引發線路過負荷跳閘等，均是強直弱交型混聯電網中單一故障向連鎖故障轉變的重要形式[23-24]。

　　圖2 強直弱交型混聯電網穩定威脅的發生、發展形式

　　3.3 局部擾動向全局擾動擴展

　　區域電網間多回直流互聯，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種復雜格局，送、受端電網之間關聯耦合更加緊密。因激發起直流功率大幅波動，局部交流電網的故障擾動，已呈現向跨區電網乃至全網擴展蔓延的趨勢。

　　具體表現在如下 3 個方面。

　　1)受端交流短路故障導致逆變器換相失敗，在換相失敗結束直流功率恢復過程中，整流站將有大量盈余容性無功注入送端電網，易導致風光新能源高壓脫網，并繼而威脅送端頻率安全[25]。

　　2)區域電網直流同送端同受端互聯格局中，受端交流單相永久接地、單相開關拒動等故障，因換相失敗導致的多回直流同時多次功率瞬時跌落，將使不平衡加速能量疊加累聚，易導致送端電網失去暫態功角穩定[26-27]。

　　3)區域電網直流同送端不同受端、不同送端同受端 2 種互聯格局中，以前者為例，送端交流電網故障，將導致受端落點于不同區域電網的直流的功率同時波動，若受端區域電網間存在薄弱的交流聯絡線，則易使其功率出現大幅涌動，甚至導致聯絡線功率因超過靜穩極限而使互聯電網解列[8]。

　　需要指出的是，單一故障向連鎖故障轉變與局部擾動向全局擾動擴展，不是相互獨立、相互排斥的，而是相互交織、相互推進的，是同一受擾動態過程中的 2 種表現形式。

　　4 應對強直弱交型混聯電網的相關措施

　　4.1 提升混聯電網安全穩定水平的 3 個方面

　　保障電網安全的相關措施，需與電網穩定特性相適應。電網是永恒發展的，不同發展階段具有不同的穩定新特性，因此，保障電網安全的相關措施，也面臨不斷發展的新要求。

　　針對強直弱交型混聯電網，亟需圍繞修編完善安全穩定標準、協調發展直流與交流輸電系統、構建大電網安全綜合防御體系等 3 個方面，研究制定與其新特性相適應的措施，有效應對單一故障向連鎖故障轉變、局部擾動向全局擾動擴展，保障電網安全運行。

　　4.2 修編完善安全穩定標準

　　安全穩定標準，是在兼顧經濟性和安全性的基礎上，制定的保障電網安全可靠供電、穩定連續運行的系列準則，是電網規劃建設與調度運行的綱領性、強制性和規范性文件。其中，明確規定了電網應具備的故障沖擊抵御能力、故障設防原則，以及控制措施選擇依據。

　　長期以來，我國電網規劃建設與調度運行中的安全穩定標準，均遵從《電力系統安全穩定導則》和《電力系統安全穩定控制技術導則》(以下簡稱原導則)，并據此構建了安全穩定三道防線體系，有效保障了電網在以往各發展階段的安全穩定運行[28-31]。

　　然而，隨著傳統電網向強直弱交型混聯電網快速演變，針對新出現的對電網穩定威脅較大的故障或擾動，如特高壓直流換相失敗和直流故障再啟動等，原導則在故障設防原則等相關內容中顯現出了空白。此外，與傳統電網中嚴重故障沖擊程度相當的單一故障，如大容量特高壓直流單極閉鎖等，原導則中對應的設防原則也應予以重新審視。

　　為此，針對強直弱交型混聯電網穩定控制新要求，應在科學論證的基礎上，適時修編和完善相關標準。

　　4.3 協調發展直流與交流輸電系統

　　合理的電網結構，是電力系統安全穩定運行的物質基礎[32]。面向強直弱交型混聯電網，協調直流與交流輸電系統發展，提升電網安全穩定水平，涉及減少直流的沖擊發生概率、增強交流的沖擊承載能力 2 個方面。

　　減少直流的沖擊發生概率，主要是降低直流逆變器換相失敗發生概率。一方面，可采用優化晶閘管固有關斷時間、優化換相失敗預測方法等技術;另一方面，可采用電容換相或電壓逆變器，替代電流源型逆變器。

　　增強交流的沖擊承載能力，可采取如下措施。

　　1)優化交流一次主干網架，適應直流有功強沖擊。消除輸電瓶頸約束，增強交流主網潮流靈活轉運和疏散能力;科學布局直流落點，抑制多回直流受擾功率的疊加累聚效應。

　　2)加強動態電壓支撐能力，適應直流強無功沖擊。充分利用已建的常規發電機組，優化布點新建的調相機以及增建的 SVC、STATCOM 等無功源，為直流換流站提供充裕的動態無功，支撐交流電壓快速恢復。

　　3)改善源網控制及其協調控制能力。優化機組勵磁、調速以及 PSS 等調節控制系統，增加FACTS 設備附加阻尼等控制功能;通過虛擬同步發電機等先進適用技術，增強風電、光伏等新能源參與電網頻率、電壓調控的能力。

　　4)增強風電、光伏新能源發電設備的擾動耐受能力。提升新能源變頻器的低頻、低壓和高頻、高壓耐受能力等相關涉網標準，降低直流強沖擊下新能源大規模脫網及其引發的連鎖故障風險。

　　4.4 構建大電網安全綜合防御體系

　　4.4.1 現有穩定控制措施的不適應性

　　現有穩定控制措施，以《電力系統安全穩定導則》和《電力系統穩定控制技術導則》為既定設防標準，以常規切機、切負荷為主要控制資源，以相互獨立的輸變電工程為需求依托，在面對交直流混聯電網強直弱交新特性時，已表現出不適應性，具體包括：應對大容量特高壓直流強沖擊，難以滿足控制措施量的要求;單一集中控制措施，難以應對單一故障向連鎖故障的轉變;控制措施組織協調能力，難以應對局部擾動向全局擾動擴展的變化。

　　鑒于以上諸多不適應性，應構建大電網安全綜合防御體系，增加控制的資源類型、拓展控制的空間分布、滿足控制的時序邏輯、增強控制的協調能力，適應強直弱交型混聯電網的穩定控制新要求。

　　4.4.2 安全綜合防御體系的目標

　　大電網安全綜合防御體系，以現有安全穩定三道防線為基礎，依托先進的信息通訊技術，實現對電網多頻段、高精度的全景狀態感知;基于故障診斷和動態響應軌跡，實現多場景、全過程的實時智能決策;整合廣泛分布于全網的多種控制資源，實現有序、分層的一體化協同控制，通過緩解強直的故障沖擊、強化弱交的承載能力，達到有效降低大電網安全運行風險的目標。

　　4.4.3 安全綜合防御體系的一體化協同控制

　　實現安全綜合防御的一體化協同控制，包括4個具體方面，即多資源統籌控制、多地域配合控制、多尺度協調控制以及多目標聯合控制。

　　1)多資源統籌控制。在傳統單一切機、切負荷控制的基礎上，統籌利用直流功率控制、抽蓄切泵控制、調相機控制、新能源緊急有序控制等各種可控資源，增加應對強沖擊的可控容量。

　　2)多地域配合控制。針對擾動沖擊的高強度和大范圍，匹配并整合不同地域、不同電壓等級的控制資源，實現大范圍立體配合控制，消除瓶頸約束，增強弱交的承載能力。

　　3)多尺度協調控制。針對不同穩定形態的時間尺度特征和各類控制資源的時效性，通過毫秒級、秒級和秒級以上控制的相互協調，實現系統動態過程的全覆蓋。

　　4)多目標聯合控制。綜合利用不同時間尺度和不同空間范圍內的各種控制措施，聯合應對故障演變全過程中的不同穩定問題，抑制擾動沖擊、阻斷連鎖反應，提升系統穩定裕度，防止系統崩潰。

　　4.4.4 關鍵支撐技術

　　構建大電網安全綜合防御體系，是一項復雜的系統工程。其中，為保障多資源參與的一體化協同控制有效實施，需圍繞以下 5 個方面，開展關鍵支撐技術攻關。

　　1)電力電子化源網荷精細化仿真技術。包括：

　　拓撲結構高頻變換的電壓源換流器高效精準仿真、新能源發電集群的外特性聚合模擬、基于實際工程的直流控制與保護邏輯建模與仿真、分布式電源高滲透型綜合負荷的特性建模與仿真，乃至基于超級計算機群的交直流混聯大電網全電磁暫態仿真等。

　　2)強直弱交型混聯電網大擾動行為機理。包括：大擾動沖擊下，直流換流站多時間尺度功率響應特征及關鍵影響環節識別;復雜擾動場景下，交直流、多直流以及直流送受端交互作用機制，及其對混聯電網多形態穩定性影響機理;強直弱交型混聯電網連鎖故障發展路徑識別及隔離阻斷技術。

　　3)混聯電網穩定態勢表征方法與評估指標。包括：在傳統直流短路比及其門檻值 3.0 靜態量化評估交流電網強弱的基礎上，進一步提出計及有源設備受擾行為特征的動態量化評估指標;混聯電網多形態穩定性與受擾電氣量之間的關聯映射方法;表征穩定性演化態勢的關鍵電氣量特征識別技術;基于關鍵電氣量響應軌跡的穩定性定量評估指標。

　　4)混聯電網協調控制基礎理論與方法。包括：適應強直弱交型混聯電網非線性特征的多資源、多目標綜合協調控制基礎理論;計及連續與離散特點、集中與分布特征、響應時間尺度差異特性的多資源協調控制方法，以及大電網綜合協調控制的體系架構設計方法。

　　5)大容量先進適用控制技術。包括：不同響應速度的規模化精準負荷控制技術、基于電力電子的大容量電氣制動技術，以及大容量儲能的多速率能量調控技術等。

　　5 結論

　　1)強直弱交，是交流與直流 2 種輸電形態在結構發展不均衡的特定階段所呈現出的混聯電網新特性，表現為直流受擾有功、無功沖擊幅度大，以及交流電網承載沖擊的能力不足。

　　2)單一故障向連鎖故障轉變、局部擾動向全局擾動擴展，是威脅強直弱交型混聯電網穩定運行的新形式。2 者相互交織、相互推進，使大面積停電風險加劇。

　　3)針對傳統電網制定的安全穩定標準，尚缺乏直流換相失敗、直流故障再啟動等故障或擾動的設防原則。此外，面向強直弱交型混聯電網，需重新審視與傳統電網中嚴重故障沖擊程度相當的單一故障的設防標準。

　　4)協調直流與交流輸電系統發展，涉及減少直流的沖擊發生概率、增強交流的沖擊承載能力2個方面。前者主要包括直流控制系統優化和逆變器性能改進;后者則主要包括優化交流主干網架、加強電壓支撐能力、改善網源協調能力以及提升設備擾動耐受能力等。

　　5)面向強直弱交型混聯電網，現有穩定控制措施已出現諸多不適應。為保障電網安全穩定，應構建大電網安全綜合防御體系，實現具備多資源統籌、多地域配合、多尺度協調和多目標聯合能力的一體化協同控制。【（鄭超，馬世英，申旭輝，劉道偉 (電網安全與節能國家重點實驗室(中國電力科學研究院)，北京市 海淀區 100192)】