华北电力大学戴志辉教授团队提出一种基于输入阻抗低频模型的混合型MMC-HVDC线路故障性质辨识判据

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导语

全-半桥混合子模块型柔性直流输电系统通过检测直流电压能否顺利重建来判断直流故障是否消失，但在高阻故障时存在误判风险。华北电力大学戴志辉教授团队利用混合型MMC作为注入源，通过分析不同故障性质下注入端输入阻抗频域特性差异，构造直流故障性质辨识判据。

研究背景

混合型MMC-HVDC输电技术是服务大容量新能源跨区消纳的关键技术，在构建新型电力系统中发挥着至关重要的作用。由于直流输电线路瞬时性故障频发，故障后需配置有效的故障性质辨识方法以确定可否恢复系统功率。然而，现有重启方案在系统重启于低阻永久性故障易引发二次过流，且在高阻故障时存在误判风险。

论文所解决的问题及意义

不同于采用直流断路器进行故障隔离的半桥型MMC-HVDC系统，对于采用快速开关隔离故障的混合型MMC-HVDC系统，直流故障重启时线路与换流站之间保持电气连接。论文所提判据利用单端信息，提高了故障性质辨识的灵敏性和可靠性以及对故障类型的适应性。通过预先识别线路故障的性质，实现永久性故障不恢复，瞬时性故障快速恢复，对保障系统的可靠运行意义重大。

论文方法及创新点

1、重启阶段混合型MMC站等效模型

直流故障重启时利用混合型MMC的直流电压调节裕度，向线路中注入小幅值特征信号协助判断故障点的消失与否。论文以定电压站作为注入站，定功率站作为非注入站，通过联立控制方程和换流站电气方程，得到重启阶段混合型MMC站等效模型如图1所示。

图1 重启阶段换流站等效模型

2、输入阻抗频域特性分析

定义输入阻抗为定电压站（注入站）故障极电压与电流之比。由于系统是线性的，满足叠加定理。在分析输入阻抗频域特性时，关注故障极电气量，可仅考虑注入源的作用，将非故障极的直流恒压源用短路代替。结合线路端点电气约束、故障点处电气约束和极模变换，可推出输入阻抗表达式，进而得到不同故障性质下输入阻抗频域特性分别如图2和图3所示（正极线路中点故障为例）。

图2 瞬时性故障下输入阻抗频率特性

图3 永久性故障下输入阻抗频率特性

3、故障性质辨识判据及辨识流程

设某传递函数以电流为输入、电压为输出，且其频率特性与输入阻抗的频率特性相同。当输入实测电流时，输出电压应与实测电压一致。若以瞬时性故障下的频率响应数据作为基准拟合传递函数，则发生瞬时性故障时，输出电压应与实测电压高度吻合；发生永久性故障时，输出电压应与实测电压存在明显偏差。

又由图2和图3可见，不同故障性质下的输入阻抗低频段特性差异显著。论文以此差异构造辨识判据，通过合理设计低通滤波器，有效提升辨识的灵敏性，同时降低了噪声干扰的影响。在判据的实现上，先采用复曲线拟合法离线建立瞬时性故障的输入阻抗低频模型，然后运用双线性变换将其离散化并与低频电流采样序列进行运算，得到低频电压推演值后与实测值进行比较判断。整体上，故障性质辨识流程如图4所示。

图4 故障性质辨识流程

结论

论文以提升混合型MMC-HVDC系统直流故障重启成功率为目标，提出基于输入阻抗低频模型的故障性质辨识判据，结论如下：

1）重启阶段处于故障穿越控制模式（直流电流指令为零）的故障极混合型MMC站可等效为RLC串联支路，处于特征信号注入模式时其可等效为可控电压源串联RL支路；非故障极混合型MMC站可等效为幅值为1(pu)的恒压源串联RL支路。

2）通过分析输入阻抗的频率特性发现，不同故障性质下输入阻抗低频段特性差异显著。采用复曲线拟合法可得到表征输入阻抗低频段特性的传递函数。进一步地，通过双线性变换将其离散化使其在时域上能与离散采样电流序列进行计算，辅助判据实现。

3）所提故障性质辨识判据具有明确的理论依据，不受故障工况影响，且具备较为强健的抗噪性能，耐受过渡电阻上限至少为1000Ω。另一方面，所提判据不需要双端数据通信和较高的采样频率，实现简单，且灵敏性和可靠性优于现有方法。

团队介绍

华北电力大学保护与控制研究团队目前有教授1人、副教授3人、讲师3人，长期从事电力系统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6项，省自然科学基金项目5项，发表相关科研论文200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6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。

石旭

博士研究生，研究方向为直流输电系统保护与控制。

本工作成果发表在2026年第7期《电工技术学报》，论文标题为"基于输入阻抗低频模型的混合型MMC-HVDC线路故障性质辨识判据"。本课题为河北省自然科学基金和河北省在读研究生创新能力培养项目资助。

引用本文

戴志辉, 石旭. 基于输入阻抗低频模型的混合型MMC-HVDC线路故障性质辨识判据[J]. 电工技术学报, 2026, 41(7): 2327-2340. Dai Zhihui, Shi Xu. DC Line Fault Property Identification Criterion for Hybrid MMC-HVDC Using Input Impedance Low Frequency Model. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(7): 2327-2340.