多端柔性直流输电系统直流故障保护策略

基于MMC的柔性直流配电网故障定位及保护配置研究一、本文概述随着能源结构的转型和电力电子技术的快速发展，直流配电网，特别是基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的柔性直流配电网，逐渐成为未来智能电网的重要组成部分。

然而，与传统的交流配电网相比，直流配电网的故障特性和保护策略存在显著差异，这使得故障定位和保护配置面临诸多挑战。

因此，本文旨在深入研究基于MMC的柔性直流配电网的故障定位及保护配置问题，以提高电网的安全性和稳定性。

本文首先对柔性直流配电网的基本结构和工作原理进行介绍，重点阐述MMC的工作原理及其在直流配电网中的应用。

在此基础上，分析柔性直流配电网中可能出现的故障类型及其特性，包括线路故障、换流器故障等。

接着，本文深入探讨现有的故障定位方法，如行波法、阻抗法等，并分析其在柔性直流配电网中的适用性。

同时，针对柔性直流配电网的故障特性，研究适用于该系统的保护配置方案，包括过流保护、欠压保护等。

本文还将通过仿真实验和实际案例分析，对所提出的故障定位方法和保护配置方案进行验证。

通过仿真实验，模拟不同故障场景下电网的动态行为，评估故障定位方法的准确性和保护配置方案的有效性。

结合实际案例，分析故障发生的原因和处理过程，为实际工程应用提供参考。

本文旨在通过理论分析和实验研究，为基于MMC的柔性直流配电网的故障定位及保护配置提供有效的解决方案，为推动直流配电网技术的发展和应用提供理论支持和实践指导。

二、MMC技术及其在柔性直流配电网中的应用模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）是一种新型的高压大功率电力电子变换技术，由德国学者R. Marquardt和A. Lesnicar于2002年首次提出。

MMC由多个结构相同、相互独立的子模块（Sub-Module，SM）级联而成，通过控制子模块的投入与切除，可以灵活地调节输出电压的幅值和极性，从而实现直流电网的灵活、高效、可靠运行。

柔性直流输电系统控制策略研究及其实验系统的实现一、本文概述随着可再生能源的大规模开发和利用，电力系统的运行与控制面临着前所未有的挑战。

柔性直流输电系统（VSCHVDC）作为一种新型的输电技术，因其独特的优势在电力系统中得到了广泛的应用。

本文旨在深入研究柔性直流输电系统的控制策略，并探索其实验系统的实现方法。

文章首先回顾了柔性直流输电技术的发展历程，分析了其与传统直流输电系统的区别和优势。

详细介绍了柔性直流输电系统的基本原理和关键控制技术，包括换流器控制、系统启动控制、有功和无功功率控制等。

在此基础上，本文提出了一种基于预测控制的柔性直流输电系统控制策略，并对其进行了详细的理论分析和仿真验证。

为了验证所提控制策略的有效性和可靠性，本文还设计并搭建了一套柔性直流输电系统的实验平台，详细介绍了实验平台的硬件组成、软件设计以及实验过程。

对实验结果进行了分析和讨论，验证了所提控制策略在实际应用中的可行性和优越性。

本文的研究为柔性直流输电系统的优化设计和稳定运行提供了重要的理论支持和实践指导。

二、柔性直流输电系统概述柔性直流输电系统（Flexible DC Transmission System，简称FDCTS）是一种新型的直流输电技术，它基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）和脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术，具有控制方式灵活、适应性强、无需滤波和无功补偿装置等特点，因此在大规模可再生能源并网、孤岛供电、城市电网增容和异步电网互联等领域具有广泛的应用前景。

柔性直流输电系统的核心设备是电压源换流器，与传统的电流源换流器相比，VSC具有可独立控制有功功率和无功功率、能够实现四象限运行、无需交流侧滤波器等优点。

VSC通常采用PWM技术，通过对开关器件的快速切换，实现对输出电压和电流的精确控制。

在柔性直流输电系统中，控制系统发挥着至关重要的作用。

柔性直流配电系统控制策略及保护技术摘要：柔性直流配电系统是目前电网建设的重要内容，不仅关系到能源多样化、配电结构优化，更有利于确保分布式电源稳定性，但柔性直流配电系统存在技术短板，需要从系统控制策略和保护技术两个方面进行分析，本文研究了柔性直流配电系统运行方式，并从系统级控制和配网级控制两方面提出了柔性直流配电系统的具体控制方法，探究了直流配电系统的故障检测与定位、隔离手段，以此增强理论研究和实践经验，更好的保障柔性直流配电系统的应用和发展。

关键词：柔性直流配电；控制策略；故障特性柔性直流配电系统属于集成配电、用电、发电为一体的双向能量流动有源网络，利用柔性直流配电系统可以突破传统光电能即时发送的影响，有利于提高用户的使用效率，为构建大容量、高电质的技术性支撑平台提供保障。

同时，柔性直流配电系统不会受到交流同步稳定性的影响，可以避免交流环节能源流失和损耗，有效连接集中式和分布式的能源单元，为城市提供更为理想的供电方式。

1.柔性直流配电系统控制策略1.1柔性直流配电系统运行方式柔性直流配电系统的转换器接收来自于交直流电源和再生能源的电能，保证储能系统和微电网之间的能量传递，因为柔性直流配电系统运行方式存在多样性特点，不同运行方式可以引起网络潮流分布变化，因此需要有效控制柔性直流配电系统的运行方式，避免功率问题造成直流电压波动，影响敏感负荷的电能需求。

1.2柔性直流配电系统的具体控制方法1.2.1系统级控制系统级控制是根据协调系统稳定各设备的运行状态，确保电能的稳定供给。

柔性直流配电系统不会受到频率和功率的影响，因此只要在电压方面进行稳定控制，即可保证该系统的正常运行。

常见的系统级控制方式有三种，一是主从控制，是借助各个换流器进行信息传输，这种方法的控制效率较差。

二是下垂控制，通过静差调节下垂系数，根据预先设定形式了解到能量的动态变化裕量，这种方法的功率波动能力差，反应速度较慢，容易影响敏感负荷的正常运行。

多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制学院：姓名：学号：组员：指导老师：日期：摘要：多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter basedmulti-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。

下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。

本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。

关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器一、引言基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。

MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。

并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。

多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。

单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。

多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制学院：姓名：学号：组员：指导老师：日期：摘要：多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter basedmulti-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。

下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。

本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。

关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器一、引言基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。

MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。

并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。

多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。

单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。

MMC型柔性直流输电系统建模、安全稳定分析与故障穿越策略研究1. 本文概述随着全球能源需求的不断增长和电网规模的扩大，柔性直流输电技术（MMCHVDC）因其高效率、高可控性和良好的故障穿越能力而成为现代电网的重要组成部分。

本文旨在深入探讨MMC型柔性直流输电系统的建模方法、安全稳定特性分析以及故障穿越策略，以期为实际工程应用提供理论支持和策略指导。

本文将详细阐述MMCHVDC系统的基本原理和结构特点，为后续建模和分析奠定基础。

本文将重点探讨MMCHVDC系统的数学建模方法，包括其交流侧和直流侧的动态模型，以及控制器的设计。

这部分内容将采用现代控制理论，结合仿真软件进行模型验证，确保模型的准确性和实用性。

在安全稳定分析部分，本文将基于所建立的模型，分析MMCHVDC 系统在各种运行条件下的稳定性，包括正常运行、负载变化和故障情况。

特别地，本文将重点研究系统在直流侧和交流侧故障时的响应特性，以及这些故障对系统稳定性的影响。

本文将提出一套完整的故障穿越策略，以增强MMCHVDC系统在电网故障时的鲁棒性和稳定性。

这些策略将涵盖故障检测、故障隔离、系统恢复等多个方面，旨在确保系统能够在各种故障情况下保持稳定运行，最大限度地减少故障对电网的影响。

总体而言，本文的研究成果将为MMC型柔性直流输电系统的设计、运行和控制提供重要的理论参考和实践指导，有助于推动该技术在智能电网和可再生能源领域的广泛应用。

2. 型柔性直流输电系统概述MMC（Modular Multilevel Converter）型柔性直流输电系统，作为一种新型的电力电子输电技术，以其独特的模块化设计和优越的电力调节能力，近年来在高压直流输电（HVDC）领域受到了广泛关注。

该系统主要由多个子模块组成，每个子模块包含一个绝缘栅双极晶体管（IGBT）和反并二极管，以及相应的电容器。

通过控制IGBT的开关状态，可以实现对电压的精确控制，从而实现有功和无功的独立控制。

多端(duō duān)柔性直流电网保护关键技术1 研究(yánjiū)背景基于传统(chuántǒng)电网换相换流器(Line Commuted Converter，LCC)的直流输电技术存在换相失败、需要(xūyào)吸收大量无功功率、无法向无源网络供电等缺点。

随着全控型开关器件的出现与成熟，以电压(diànyā)源型换流器(Voltage Source Converter，VSC)为核心部件的柔性直流技术成为直流输配电领域重要的发展方向：从负荷需求和电源分布考虑，实现多电源供电及多落点受电的柔性直流电网是电网发展的必然趋势；从建设成本和经济性考虑，多端柔性直流输电系统显然比并行多条点对点式直流输电线路更加有利于节约线路走廊、降低投资和减小运行费用；从电网供电可靠性和运行灵活性考虑，多端直流电网可以提供更好的供电可靠性和系统冗余性，以及适应性更强的供电模式、灵活和安全的潮流控制等；从新能源自身间歇性和分散性的特点考虑，多端柔性直流电网可以有效改善新能源对电网安全稳定运行的影响。

因此，基于柔性直流技术的直流电网被认为是未来电力系统发展的一次重要革命。

直流电网是由大量直流端以直流形式互联组成的能量传输系统，可以实现新能源的平滑接入、全局功率的调节互济、长距离大范围的电能传输。

在大规模分布式可再生能源接入、海洋群岛供电、海上风电场群集中送出、新型城市电网构建等方面，直流电网被认为是最理想的组网方案，也是未来智能电网发展的重要方向之一。

柔性直流电网的发展尚面临若干关键技术问题亟待解决。

其中，有别于传统交流电网和常规高压直流输电系统，多端柔性直流电网特殊的故障暂态特征、复杂快速的换流器故障控制以及直流断路器等一次设备的性能制约对其继电保护赋予了新的挑战和任务。

2柔性直流系统故障暂态特征柔性直流系统直流故障暂态特征是直流保护研究的理论基础。

而基于不同类型换流器的柔性直流系统故障特性存在明显的差异，相应地对保护的要求也有所不同。

柔性输电线路的相关保护配置及故障处理方法摘要：柔性输电线路系统主要以直流输电系统为例，柔性直流输电系统具有自身结构的特殊性以及调节方式的不同，使直流线路中经常出现的故障电流呈现峰值较大、上升速度较快的特点。

这种特点很容易造成设备的绝缘和电气元件的损坏。

根据柔性直流输电系统出现的故障，提出相关地保护装置的技术方法，根据柔性直流线路的特性，通过抑制电流、减少故障的影响、输电线路的保护原理等方面着手。

此文重点分析了柔性直流输电电路系统与常规交流长距离输电电路系统的区别，通过对比，分析其优缺点，制定相应的保护装置措施。

关键词：柔性输电系统；保护装置；故障处理引言柔性直流电路输电系统是基于电压型换流器和模块化多点平换流器的基础上，它具有无功功率、调节有功功率和向无源网络供电等特点。

它和传统上的高压直流输出电路系统有很大区别，它主要适用于大规模的可再生能源的远距离输送上，比如太阳能、风能等等。

而柔性直流电路输电系统也有其自身的不足，对低压限流功能的缺乏以及没有成熟的直流开关元件。

基于柔性直流输电电路的特性，其故障特征更加复杂、难以把握，所以对于柔性直流输电电路的要求也是更高的。

通过对柔性直流输电电路的保护装置以及故障排除的了解，使实际工作中可以及时了解问题所在，及时解决、排除故障。

1.柔性直流输电电路系统与交流输电点路系统（1）柔性直流输电电路系统的概念柔性直流输电电路系统是基于电压源换流器的高压直流输电技术，它是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术。

（2）直流输电的特点柔性直流输电电路系统的优点主要体现在不会换相失败、易于构成多端直流系统、无源网络供电以及换流器的独立性等。

它在结构上与一般的高压直流输电类似，任然是通过换来器和直流输电线路。

2.交流输电电路系统（1）交流输电电路概念交流输电电路系统是以交流电流传输电能的，它的出现相对于直流输电电路系统较晚。

常规的交流输电电路系统主要是指柔性交流输电电路系统，他实现了对输电系统给的多样性，扩大了电路输送的距离、增加了输送容量以及提高了输电线路的电压等级。

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１０２６．２０１２．０６．０１３多端直流输电系统直流侧故障的控制保护策略许　烽１，徐　政１，傅　闯２（１．浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市３１００２７；２．南方电网科学研究院，广东省广州市５１００８０）摘要：在多端直流输电系统中使用直流断路器有利于故障的快速切除，但目前直流断路器的制造工艺尚不成熟，难以在工程中推广应用。

文中在直流输电系统直流侧采用常规交流断路器作为直流断路器的替代方案，提出了一种针对多端直流输电系统直流侧故障的控制保护策略。

利用ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ软件建立了±８００ｋＶ双极四端直流输电系统仿真模型，并进行了仿真。

仿真结果表明，基于常规交流断路器的多端直流输电系统控制保护策略能够实现系统故障后的快速恢复，较好地满足功率输送要求，有效提高所连交流系统的稳定性。

关键词：多端直流输电；直流侧故障；控制保护策略；交流断路器收稿日期：２０１１－０６－２４；修回日期：２０１１－１１－０２。

０　引言多端直流输电系统由３个或３个以上的换流站及连接换流站之间的高压直流输电线路组成［１－２］。

与两端直流输电系统相比，多端直流输电系统能够实现多电源供电、多落点受电，输电方式更为灵活、快捷；但由于其控制保护、设备制造等更为复杂，许多关键问题尚未得到合理解决［３－１１］。

多端直流输电系统在大扰动下的性能研究，主要可分为交流系统故障和直流侧故障两大类［１２］。

中国大容量远距离直流输电系统中，直流侧故障约占直流系统故障的５０％［１３］。

为了快速清除直流侧故障，减轻直流系统直流侧故障对交流系统的影响，多端直流输电系统有必要装设直流断路器。

但从目前发展状况来看，虽然直流断路器的研发测试已经取得了较大的突破，但尚未在工程中广泛使用［１４－１５］。

因此，在不使用直流断路器的情况下，研究多端直流输电系统直流侧发生故障时的控制策略与保护措施，提高交直流输电系统的运行稳定性，具有十分重要的意义。

基于MMC-MTDC的输电系统直流侧故障保护策略张明光;侯博【摘要】针对柔性直流输电直流侧故障这一常见且棘手的问题,分析了多电平模块化换流站(modular multilevel converter,MMC)的运行特点和工作原理,提出采用电压裕度控制能较好地适应于MMC多端直流输电系统,并且对控制器进行了设计.在电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC的环境下对MMC多端直流输电系统在直流侧故障时的各种情况进行仿真和研究,分析了MMC多端直流输电系统在直流侧断线故障、单极接地故障以及双极间短路故障时的工作特性,提出了相应的保护动作时序.实验结果说明所提出的控制策略能够实现系统故障后的稳定,提高了系统处理故障的能力.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2018(044)005【总页数】6页(P79-84)【关键词】MMC-MTDC输电系统;电压裕度;直流故障保护策略【作者】张明光;侯博【作者单位】兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TM72当前,柔性直流输电系统引领着电力电子和电力系统输电领域.与传统直流输电技术比较,其拥有无可比拟的优点[1-2]：1) 正常运行时,柔性直流系统的灵活度更高,更易控制；2) 柔性直流更易实现潮流翻转;3) 其电网恢复能力较强；4) 柔性直流系统对通信需求低.而柔性直流系统中的模块化多电平换流器(MMC)利用其可以投入切除子模块的个数来达到输出各种功率和电压的目的,因而有节约成本的优势[3-5].在柔性直流输电中,直流侧故障一直是比较常见且棘手的问题[6],且MMC-MTDC与基于电压源换流站(voltage source converter,VSC)多端系统VSC-MTDC在直流侧故障时的故障特性和保护策略有所不同[7-8].MMC多端柔性直流输电系统的控制方式更为灵活且一般采用并联接线[9-12].柔性直流输电系统的稳定是直流电压的稳定,所以其控制策略多采用针对直流电压的控制方式使系统正常运转.一般情况下,为了增加系统的可靠性和调节直流电压的能力,多采用多点直流电压方式[13-16].多点电压控制包括主从控制和电压偏差控制,主从控制比较依赖通信控制,而电压偏差控制对通信的依赖度较低,能很好地适应于多端柔性直流输电系统.本文基于MMC多端直流输电系统,在电压偏差控制的基础上进行改进并设计了基于电压裕度的直流电压控制器,对直流侧故障(断线故障、单极短路接地以及极间短路)的保护策略进行研究并对多端输电系统的控制方式提供参考.1 多端MMC直流输电系统运行原理及接线方式1.1 模块化多电平换流器的基本原理如图1所示,MMC换流器是由六个桥臂组成,每个桥臂由n个结构完全相同且互联的子模块(SM)与一个电抗器L组成,上下两个桥臂构成一相.子模块包括由两个绝缘栅双极型晶体管和一个直流储能电容C构成的半桥(D1、 D2为图1b反并联二极管).Usm是图中所示子模块的输出电压,Uc为直流储能电容的电压.每单个子模块都有两个端子作为主电路的拓扑连接端子.图1 模块化多电平换流器的拓扑结构Fig.1 Topolygic diagram of modular multilevel converterMMC能够通过增加和减少子模块投入切除的数目来达到满足各种电压等级和功率需求的目的,具有很高的灵活性.另外,MMC还具有正负极直流母线,十分适合柔性直流输电场合.从图1可以看到,子模块中的箝位电容均匀地装设在各个桥臂中,而电抗器是直接串接在桥臂中的,这么做的好处是抑制三相上下桥臂电压之和不均衡而出现的相间换流,还能在直流侧母线发生故障时,起到降低桥臂短路电流的作用,因而使得系统的可靠性大大提高.由图1,可以将m(m=a,b,c)相电流表示为im=ipm+inm(1)式中:ipm为上桥臂的电流；inm为下桥臂的电流.根据图1,任意拿一相来研究上下桥臂电压,用a相来说明,得到：Udc=Upa+Una(2)图1中,O为直流电压零点位参考点.子模块在正常运行时,正负极相对于点位参考点的电压为Udc/2和-Udc/2.MMC换流站可通过增减子模块的投入数量来控制三相交流侧输出电压.1.2 MMC多端柔性直流输电系统结构一般情况下,工程中对多端柔性直流输电采用并联的方式连接,如图2所示.本系统是由3个结构相同的MMC电压源换流器组成,它的直流侧由直流网络并联连接起来.这3个换流器各自与相对独立的交流网络连接,它们都具有双向传输功率的特性. 图2 三端MMC柔性直流输电系统结构 Fig.2 Structure of three-terminal flexible DC power transmission system based on MMC在多端MMC直流输电系统中,功率可以通过几个换流站来协调分配,这就显得控制灵活且可靠性较高,但这同时也带来了一个问题,就是它的潮流分布相对多变且控制的愈加复杂.为此,多端MMC系统中需要加入各个换流站之间的协调控制来应对可能出现的潮流变动以及故障等问题.2 MMC多端直流输电系统的控制策略研究直流电压的恒定是并联型MMC-MTDC系统控制的核心,只有实现了直流电压的稳定才能维系直流系统中功率的平衡.相对于两端直流系统点对点的输电形式,送端和受端功率平衡,而多端直流输电系统最大的优势就是可以实现多点送电和多点受电,这就使得多端系统的控制方式灵活且可靠性较两端高,也具有更高的经济性,但其控制方式也变得复杂很多.在以往的多端直流输电系统中大都选择主从控制作为系统级控制,主要是因为其控制器的结构简单和在控制直流电压方面的良好表现.但是主从控制需要高层控制通过通讯环节提供潮流计算所得出的整定值,其对通讯环节的要求较高,如果在远距离输电过程中,系统的通讯环节不但增加了系统的大量成本,也会使得系统的可靠性下降.为了减少输电系统对高层控制及通讯环节的依赖,本文基于MMC多端直流输电系统的控制特性,对以往所采用的主从控制进行改进,采取了基于电压裕度的多点电压控制方式,并设计了相应的控制器.2.1 电压裕度多点直流电压控制原理电压裕度控制是将主换流站与从站之间的电压值拉开一个裕度,在这种控制下,如果发生换流站因为某种故障或扰动而引起的参数不正常,那么其也可以进行运行方式的转换.本文以MMC三端柔性直流输电系统为例介绍基于电压裕度的多点直流电压控制.如图3所示,各个换流站在虚线框内部稳定运行.这里假定MMC1相连于交流系统,它的调节功率能力较强,且其为主换流站.MMC2采用电压裕度控制,它有一定的调节功率能力,其为从站.MMC2的电压参考值与主站相差正负两个电压裕度,而电压裕度参考值上下限也分别为UdcrefH和UdcrefL.MMC3为定有功功率控制,如果其与无源系统相接,那么会转而采用定交流电压控制,它的控制特性与定有功控制近似,但是MMC3的功率参考值会随着负荷的大小变动而横向左右移动.图3 电压裕度控制特性Fig.3 Control characteristics of voltage margin control从图3可得,系统于A点稳定运行.当MMC3需要增加有功功率时(如虚线所示),MMC1就通过增加输入有功的方式使得系统的功率平衡,当MMC1达到有功功率极限时,系统的运行点会在B点,此时MMC1将没有能力调节电压.要是系统在B 点时的功率依旧没法满足系统的功率平衡需求,那么直流输电系统将不会稳定,直流电压会下降,此时就需要MMC2来代替MMC1调节直流电压并承担调节功率的任务,相应的,MMC2也就由原来的定有功功率控制变为了定直流电压控制,MMC1从原来的定直流电压控制转变为了定有功功率控制,系统也就会从B点平移至C点.若MMC1出现了换流站故障等原因退出运行时,那么MMC2也同样会由定直流电压控制变为定有功功率控制,此时系统的运行点会由A点移动到D点.类似的,如果MMC3的功率需求突然急剧减少,或者出现功率反送,那么就很有可能使得MMC2的系统运行点达到上限.由此可以看出电压裕度多点直流电压控制可以应用于多种工作状况,更为灵活.2.2 基于电压裕度的多点直流电压控制器本文的MMC三端柔性直流输电系统的换流站级控制器具有良好的响应电流的特性,以及可观的限制电流能力.外环控制器通过给出的直流电压值和功率值得到内环电流指定值.内环电流控制器用调节电压的方式让d轴电流Id和q轴电流Iq迅速跟踪它们的参考值Iderf和Iqref.这时将内外环的控制器进行一定方式的组合来实现其控制特性,其控制器结构如图4所示.该控制器忽略了直流输电线路的电阻,所以根据实际工程经验可得,主换流站和从换流站之间的电压裕度为主换流站直流电压参考值的5%.图4 电压裕度控制器结构Fig.4 Controller structure of voltage margin control 3 MMC三端直流系统直流侧故障与保护对于MMC多端柔性直流输电系统,直流侧故障对系统造成的危害较大,较为棘手,因此在设计MMC多端直流输电系统时会考虑到出现故障时,其能在控制系统的保护下,拥有良好的自我恢复到稳定运行的能力.MMC多端直流系统一般采用双极输电的传输方式,因而它的直流侧故障类型可以分为以下三种情况：单极接地短路故障、正负极间短路故障和断线故障.断线故障和正负极间短路故障大都属于永久性故障,这两种故障一般是由于人为应力作用或者来自外界的物理性损坏造成的.在永久性故障影响下,系统应尽可能地保持稳定且维持功率传输,系统也应在第一时间闭锁换流器且断开交流侧断路器,这样才能尽可能地减小换流设备的损失.而单极接地故障则表现为暂时性故障,其一般是由雷击闪络或树杈的影响造成的,当出现这种情况时,输电系统对于扫除故障后的自恢复能力显得尤为重要.本文将以三端MMC输电系统为例,分析故障出现后的控制保护策略,并分析得出的仿真结果.3.1 单极接地短路故障单极接地故障一般发生的概率最大且其为暂时性故障,当这种故障出现时,钳位电容与接地点构成通道很有可能会发生放电,因此直流侧会采取两个大电阻接地的形式来抑制故障浪涌电流,这样做的好处不但可以钳位正负两极直流侧电压,也使直流侧母线具有了电压零电位的参考点.图5 正极接地故障Fig.5 Earthing fault of anode若直流侧母线正极发生接地故障,由于其直流侧的并联电阻阻值非常大,所以可以看成是开路,那么直流侧电流基本保持不变,而子模块电容电压则由于大电阻的作用也会维持稳定.正极电压因为接地而变为零,而负极电压则因为大电阻其幅值变为原来的2倍,与正极之间的电压依旧保持不变,所以多端系统保持正常输送功率的能力.3.2 正负极间短路故障在MMC多端柔性直流输电系统中,直流侧正负极间的短路故障是最为严重、破坏性最大的故障类型,此类故障发生时,各个换流站都由其子模块中的二极管D2向短路点输入短路电流,如图6所示.与此同时,正处在投入状态中的子模块电容也通过T1向短路点进行放电,因此子模块电容电压便会很快降为零,那么换流站的直流侧电压幅值也会速降到零,这样会导致换流器之间功率传输的停止.而对于交流系统则近似等效成发生了三相短路故障.图6 双极短路时的电流通路Fig.6 Current path of double-pole short-circuit 对于正负极间短路这样严重的故障,无论直流侧是直流电缆还是架空线,一旦发现这种类型的故障,则需在第一时间闭锁相应换流站以中止短路点的功率传输.3.3 断线故障断线故障分为单极断线和双极断线.无论发生两者之间的哪一种故障,直流侧均不会构成通路,会造成功率传输的中断,所以它们的故障特性基本相同.直流侧的断线故障为永久性故障,其直流电缆断线故障一般是由于人为挖断或是船锚拖拉所致.本文以正极断线为例说明断线故障的故障特性.4 基于MMC的三端直流输电系统仿真研究及分析本文在PSCAD/EMTDC的环境中建立MMC- MTDC三端系统的仿真模型,如图2所示.此三端直流输电系统的3个换流站采用并联接线方式, 3站均为21电平且都使用了最近电平逼近调制策略以及针对子模块均压策略的排序法,系统采用的额定直流电压为±350 kV,额定交流电压500 kV,额定容量为：MMC1为1 000 MW,MMC2和MMC3都为500 MW.MMC1是主站,MMC2为从站,而MMC3与无源网络相连,采用定交流电压控制方式.4.1 正极接地故障的仿真本文假设MMC1与MMC2之间的直流侧母线正极在2.0 s时发生了单极接地故障且故障持续了0.5 s,仿真结果如图7所示.图7 直流侧单极接地故障波形Fig.7 Fault waveforms of single-pole grounding on DC side由于两个大电阻的钳位作用,且处在故障期间的自模块电容电压仅做微小变动,随着对直流电压的控制,MMC1的直流侧母线正负极各自对地电压快速恢复正常.MMC1的交流侧电压在故障开始时发生偏移,MMC2和MMC3交流侧电压此时也出现偏移,波形和MMC1的基本相同,在这里不再赘述.由图7b和图7d可以看出,在故障出现的前期三个换流站的直流侧电压和有功功率出现了波动,但较短的时间内波形迅速平稳.4.2 极间短路故障的仿真直流侧母线正负极间的故障及其采取保护策略的波形如图8所示.2 s发生故障,2.01 s各换流器闭锁,2.1 s各换流器交流断路器跳闸,2.2 s故障线路直流快速开关跳开,2.21 s非故障线路换流站解锁并重合交流断路器.图8e表示MMC2的直流侧正负极电流,当2 s出现极间短路故障时,可以看到故障瞬间的瞬时短路冲击电流较大,而且故障发生后系统直流侧正负极电流还能迅速恢复正常,这说明换流站在故障闭锁后电容电压还在保持,不会造成过电流问题.图8 直流侧正负极间短路故障波形Fig.8 Fault waveforms of interpolar short-circuit on DCside4.3 断线故障的仿真直流侧母线正极断线故障的波形及其保护策略波形如图9所示.同样的,也是假设2 s时发生断线故障,由图9a可看出MMC1的直流侧正极电流变为零.2.01 s故障线路直流快速开关跳开且该线路换流器闭锁,2.1 s故障线路换流站交流断路器跳闸.MMC1的子模块电容电压在闭锁换流站后幅值稳定了下来,MMC2和MMC3的电容电压基本相同.图9 直流侧正极断线故障波形Fig.9 Fault waveforms of anodal line break on DC side5 结论本文重点针对柔性直流输电直流侧故障这一常见且棘手的问题进行分析,然后在仿真平台上搭建系统模型进行仿真研究,仿真结果表明本文所提出的控制方式切实有效.采用基于电压裕度的多点直流电压控制能在系统一定的波动范围内使系统的主要参数达到正常状态,增加了系统可靠性,提高了系统处理故障的能力.参考文献：【相关文献】[1] 徐政.柔性直流输电 [M].北京:机械工业出版社,2012.[2] 赵婉君.高压直流输电工程技术 [M].北京:中国电力出版社,2011.[3] 汤广福,贺之渊,滕乐天,等.电压源换流器高压直流输电技术最新研究进展 [J].电网技术,2008,32(22):39-44.[4] 张文亮,汤涌,曾南超.多端高压直流输电技术及应用前景 [J].电力系统自动化,2005,29(9):20-24.[5] 苏新霞,王致杰,陈丽娟.柔性直流输电特点及应用前景研究 [J].陕西电力,2014,42(5):35-39.[6] 于海,张明光,张兆钰.基于行波固有频率的VSC-HVDC直流输电线路双极短路故障保护与定位[J].兰州理工大学学报,2017,43(1):83-87.[7] 陈海荣,徐政.适用于VSC-MTDC系统的直流电压控制策略 [J].电力系统自动化,2006,30(2):547-552.[8] 汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术 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多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压下垂控制学院：姓名：学号：组员：指导老师：日期：摘要：多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter basedmulti-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。

下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。

本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。

关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器一、引言基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。

MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。

并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。

多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。

单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。

柔性直流输电的故障分析及保护策略综述单位省市：内蒙古自治区乌兰察布市兴和县单位邮编：013650摘要：柔性直流输电系统具有阻尼小、惯量低的特点，直流线路发生故障后故障发展迅速，因此如何快速可靠地识别线路故障对系统稳定运行意义重大。

目前，柔性直流输电线路保护主要是借鉴更为成熟的传统直流线路保护方法，然而传统直流输电线路保护方法应用于柔性直流输电中仍存在诸多问题，其本质主要体现在柔性直流输电系统对线路保护的速动性的要求更为苛刻，同时得兼顾保护的灵敏性、可靠性和选择性。

因此，柔性直流输电对线路保护的速度、弱故障特征提取的能力、抗干扰能力、以及对不同故障的区分能力提出了更高的要求。

基于此，本文将对柔性直流输电的故障分析，提出几点保护策略，仅供参考。

关键词：柔性直流输电；故障问题；保护策略1.柔性直流输电故障保护的要求与难点柔性直流输电是新型电力系统的重要组成部分，其故障保护既有传统继电保护“四性”（可靠性、选择性、速动性和灵敏性）的基本要求，又有直流系统运行特点带来的新技术要求。

可靠性是对传统继电保护装置的基本要求，其内涵包括“不误动”和“不拒动”两层意义。

影响可靠性的主要因素是干扰，如测量信号的噪声、雷击等。

根据直流系统的运行数据，直流架空线路的故障绝大部分是瞬时性故障，如果在故障切除后对线路进行自动重合闸控制，可以极大地提高电能传输的可靠性。

而如果缺少对故障性质的识别，使重合闸发生永久性故障，则会对直流系统造成二次冲击。

选择性保护应遵循停电影响最小化的原则，即确保在最小区域内将故障区域切除，以最大限度地保证未发生故障的部分仍然继续正常供电。

在交流系统中，常根据故障信号的稳态值，利用保护上、下级线路的延时配合实现选择。

但直流电网故障受系统运行方式、过渡电阻等因素影响大，特征复杂且过渡过程信号暂态分量变化剧烈，因此传统的继电保护方法难以准确定位。

直流电网发生故障后，电路结构和参数决定了其故障回路呈现低阻尼、低惯性的特点，导致故障电流上升速度快。