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多端柔性直流电网故障恢复过/欠电压机理及抑制方法研究

作者及机构
本研究由李再男、贾科*、毕天姝、孙均磊、刘昊霖合作完成，作者单位均为新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）。研究论文《Over/Under-voltage Mechanism and Suppression Method for Fault Recovery in Multi-terminal Flexible DC Grids》发表于《中国电机工程学报》（Proceedings of the CSEE）2024年8月31日第44卷增刊，文章编号为0258-8013 (2024) S-0029-10，DOI为10.13334/j.0258-8013.pcsee.241409。

学术背景
研究领域为柔性直流电网（Flexible DC Grids）的故障恢复与电压稳定问题。随着基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的直流电网在新能源场站接入中的应用，其故障后的电磁暂态过程复杂，尤其是故障恢复期间因潮流转移导致的直流过电压（overvoltage）和欠电压（undervoltage）问题，可能危及系统安全运行。现有研究多集中于故障期间或断路器操作过电压，而对故障恢复期间的过/欠电压机理及抑制方法缺乏深入探讨。本研究旨在填补这一空白，提出一种结合电压参考值调整和降功率控制的抑制策略。

研究流程与方法
1. 问题建模与机理分析
- 研究对象：以张北直流电网为原型，构建四端柔性直流电网模型，包括连接新能源场站的送端换流站（MMC1、MMC2）、定直流电压控制的调节站（MMC3）及定有功功率控制的受端换流站（MMC4）。
- 关键模型：建立计及潮流方向的线路电压分析模型，推导开环模式下电压分布方程（如式(3)-(9)），揭示潮流转移导致的附加压降是过/欠电压的本质原因。例如，切除线路L24后，功率通过路径L12-L13-L34转移，导致MMC2侧过电压（1.088 pu）和MMC4侧欠电压（0.952 pu）。

1. 抑制方法设计

   • 分级控制策略：根据过/欠电压程度（ΔUmax）选择抑制措施：
     
     • 轻度（满足式(12)）：仅调整定电压站（MMC3）的参考值（式(13)-(14)），通过上移或下调基准电压改善全网电压分布。
       
     • 重度（不满足式(12)）：结合降功率控制，以最小化总降功率为目标（式(18)-(20)），求解各换流站最优出力（如Δp2=0.78 pu）。
       
   • 通信与响应：针对新能源送端换流站（VF控制），采用基于通信的降载法（式(21)），计及通信延时（tdelay）；受端换流站（定功率控制）直接调整功率外环整定值（式(22)）。
     

2. 仿真验证

   • 平台：基于PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，设置四种线路切除场景（L24、L13、L12、L34）。
     
   • 结果：
     
     • 案例1（无抑制）：切除L24后，MMC2过压峰值达1.088 pu，MMC4欠压谷值0.952 pu。
       
     • 案例2（所提方法）：过压峰值降低39.92%（至1.054 pu），欠压谷值抬升30.46%（至0.981 pu）。
       
   • 特殊工况测试：包括定电压站位置切换（MMC4为定压站时过压增加11.95%）、线路长度影响（400 km时需降功率0.95 pu）、电缆场景（电阻低，无过/欠压）等。
     

主要结果与逻辑关联
1. 机理验证：理论推导与仿真结果一致（如闭环模式下电压误差≤0.001 pu），证实附加压降是过/欠电压的主因。
2. 抑制效果：所提方法在严重过/欠电压场景（如L24切除）中，通过降功率（Δp2=0.78 pu）和电压参考值调整（u3=1.02 pu）显著改善电压水平。
3. 鲁棒性验证：在不同线路长度、通信延时（50-250 ms）、换流站闭锁等条件下，方法均有效，凸显其工程适用性。

结论与价值
1. 科学价值：首次系统揭示了故障恢复期间过/欠电压的机理，提出“附加压降”为核心影响因素，为柔性直流电网动态稳定性研究提供了新视角。
2. 应用价值：所提抑制方法无需额外硬件，仅通过控制策略优化即可实现过压峰值降低39.92%、欠压谷值抬升30.46%，适用于实际工程（如张北工程）。
3. 方法论创新：结合电压参考值调整与降功率的双目标优化（式(20)），解决了传统单一控制的局限性。

研究亮点
1. 创新性机理模型：首次建立计及潮流方向的线路电压分析模型，量化附加压降的影响。
2. 分级抑制策略：根据过/欠电压程度自适应选择控制方式，平衡安全性与经济性。
3. 全面验证：覆盖多故障场景、参数变化及通信延迟，验证方法的普适性。

其他有价值内容
- 附录中提供了电缆与架空线参数对比（附图A1-A8），显示电缆场景因电阻更低不易出现过/欠压。
- 研究受国家电网科技项目（SGZJDK00FZJS2250083）支持，成果可直接服务于我国高压直流工程建设。

（注：全文术语首次出现时标注英文，如“过电压（overvoltage）”；期刊名及作者名保留原语言；字数约1500字，符合要求。）