华北电力大学李杭泽、戴志辉 等：混合多端直流输电系统限流控制策略配合及限流参数全局优化方法

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混合直流输电技术在大规模风力发电、光伏等新能源接入电网中发挥了重要作用，是我国直流电网建设中的重要组成部分，实际运行时常投入限流控制策略以抑制电流发展。然而，两侧限流控制系统的交互特性与控制参数的不合理配置可能加剧线路过流现象。基于上述背景，华北电力大学电力系统保护与安全防御团队考虑限流环节启动后过渡电阻耦合特性，提出一种限流参数全局优化方法。

研究背景

我国能源负荷整体呈逆向分布，特高压直流输电凭借更高的输电能力和输电效率承担着电力区域间调动的重要职能，在能源资源优化配置领域备受青睐。其中，混合直流输电技术充分结合常规直流输电（line commutated converter-high voltage direct current，LCC-HVDC）与柔性直流输电（modular multilevel converter-high voltage direct current，MMC-HVDC）二者在经济、技术方面的优势，有效提高了交流系统与新能源间的互连能力，成为大规模风力发电、光伏等新能源接入电网的重要手段。

论文所解决的问题及意义

混合直流输电系统故障呈现复杂化、全局化特征，短路电流水平超标问题严重，大容量高压直流断路器在技术研发和设备制造上均有较大难度，进一步限制了输送功率的提升。在此背景下，有必要配合采取相应的限流措施抑制故障电流的迅速增长。

为解决控制参数的不合理配置加剧线路过流现象的问题，团队提出限流控制策略配合原则并得到计及过渡电阻耦合作用的限流参数全局优化方法，在提高限流效果以及满足参数灵敏性的基础上更好地适应经过渡电阻故障的情况，降低故障时电流上升率和电流峰值。

论文方法及创新点

通过限流参数高灵敏度区间确定控制参数迭代的初值范围，在现有以金属性故障为例对限流参数进行优化的基础上，充分考虑小过渡电阻故障下对站限流环节启动时本站线路叠加“增流”的情况，基于层次分析法确立了以线路过流倍数、过流时间以及交流母线电压跌落程度的综合性指标，并以此为依据构建控制参数全局优化数学模型，避免了单一因素下交流侧电压大幅跌落的可能性。

1、混合直流输电系统限流特性交互影响机理分析

图1 故障电流阶段示意图

根据故障电流不同变化特征及故障机理将其划分为三个阶段，第一阶段与第二阶段以控制系统是否响应为划分依据，第二阶段与第三阶段以本站限流（故障电流抑制）与对站限流启动时刻（耦合增流）二者的较大值作为划分时刻，进一步为故障电流的计算提供理论依据。

2、限流参数灵敏度初值选取原则

图2 MMC主动控制参数灵敏度分析

图3 LCC低压限流参数灵敏度分析

为更好地克服当对端换流站采取限流控制后，过渡电阻耦合作用使本端换流站增流现象加剧的情形，对系统限流参数的优化应从全局性展开分析，综合评估不同参数大小对每条线路的作用效果。

如图3所示，MMCA侧主动限流控制环节在4.4ms启动，随着限流因子KB的增大电流变化率进一步减小，限流特性在第四次波峰到达时趋于饱和，MMCB侧KB灵敏性分析同理。为防止限流参数过大引起桥臂过流，可将限流参数的初值设置在饱和点附近，取值区间设置在参数的高灵敏段。

LCC侧低压限流环节通过修正电流参考值与定电流控制环节共同作用影响换流站的触发角，但其在故障初期对电流的修正能力远小于因线路故障引起换流站定电流控制对电流的修正能力，其IL、UL定值仅对故障进入稳态阶段的电流修正效果较为显著。

3、限流策略II段优化方法

图4 限流优化方案对比

图5 II段优化特性分析

以各换流站出口侧短路电流、过流时间以及交流母线电压跌落程度等因素作为评价标准，以线路及桥臂过流倍数为约束条件建立混合输电系统限流控制参数优化的数学模型。在离线整定得到合理的优化参数后，为进一步降低交流电流激增对受端系统的冲击，可对MMC主动限流特性作II段的在线优化处理。当换流站主动限流启动时监测K值并开始计时，若K值跌落至某一定值则启动II段恢复策略。

图6 全局限流参数优化流程图

结论

针对目前混合多端直流输电系统故障耦合特性复杂，限流控制协调困难的问题，以混合三端直流输电模型为例，对不同换流站的限流特性以及站间故障电流影响机理进行分析，主要结论有：

1、LCC换流站的低压限流环节以及MMC换流站的主动限流环节均能有效抑制直流故障电流，但低压限流环节需通过定电流控制器间接地对触发角进行调整，在故障的暂态时间尺度内对故障电流的限制能力有限；主动限流环节通过修正直流电压进而有效降低故障电流峰值，但存在因过渡电阻耦合作用引起对端换流站出现增流的风险。

2、结果表明所提控制参数的全局优化方法能在提高限流效果以及满足参数灵敏性的基础上更好地适应经过渡电阻故障的情况。II段优化方案有利于降低主动限流特性对交流系统的不利影响，降低受端交流电网电压跌落水平。

团队介绍

课题组所在的电力系统保护与安全防御科研团队目前有教授1人、副教授3人、讲师3人，长期从事继电保护与安全防御、直流输配电保护原理、故障清除设备和策略等研究。近年承担国家自然科学基金项目3项，省自然科学基金项目4项，发表相关科研论文100余篇，获得省部级奖励4项。

戴志辉

博士，教授，博士生导师。发表学术论文逾百篇，主持国家自然科学基金、省自然科学基金5项。主要研究方向包括：交直流输配电系统保护、控制与安全防御；电力二次系统智能评价与风险预警；新能源电力系统与主动配电网。

李杭泽

华北电力大学硕士，研究方向为直流输电系统保护与控制。

韩哲宇

华北电力大学硕士研究生，研究方向为电力系统保护与控制。

本工作成果发表在2024年第11期《电工技术学报》，论文标题为“混合多端直流输电系统限流控制策略配合及限流参数全局优化“。本课题得到国家自然科学基金的支持。

引用本文

李杭泽, 戴志辉, 韩哲宇, 奚潇睿, 牛宝仪, 杨明玉. 混合多端直流输电系统限流控制策略配合及限流参数全局优化[J]. 电工技术学报, 2024, 39(11): 3323-3338. Li Hangze, Dai Zhihui, Han Zheyu, Xi Xiaorui, Niu Baoyi, Yang Mingyu. Current Limiting Control Strategy Coordination and Global Optimization Method of Current Limiting Parameters for Hybrid Multi-Terminal DC Transmission System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(11): 3323-3338.

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