应对架空线柔性直流电网线路故障的主动控制技术基础研究

The research contents of this project belong to ‘Fundamental theories of stability, simulation, and control for DC grid’, which corresponds to the second research topic of the ‘Part VII: DC transmission and DC grid’ under the Smart Grid United Projects in 2017 between NSFC and State Grid. This project focuses on the challenge of handing DC line faults in an overhead modular multilevel converter based high voltage DC (MMC-HVDC) grid. To address this problem, different from the traditional methods that usually rely on the complicated and expensive DC circuit-breakers (DCCB) with high speed and bulk capacity to block the DC line faults passively, this project proposes an active control strategy by fully using the control potential of the MMC converters. Under the premise of DC gird system stability, this application investigates the cooperative control schemes based on the active control of converters and DCCBs. In this way, the correctness of detecting and locating line faults is enhanced, the breaking current requirement of DCCB will be significantly decreased, the blocking speed and capacity requirements of DCCB will also be decreased and the reclosing process can be optimized, resulting in a significant reduce in the technical difficulty and manufacturing cost of the DCCB. This project can investigate a novel control scheme for handling the DC line faults in overhead MMC-HVDC grid, which will provide strong technical support for the progress and development of DC grid.

本项目研究内容属于智能电网联合基金2017年度项目指南的资助领域“（七）直流输电与直流电网”之“研究方向2：直流电网稳定性及仿真、控制的基础理论”，聚焦于如何应对架空线柔性直流电网线路故障这一紧迫且极具挑战性的问题，改变单纯依靠复杂昂贵的高速大开断容量直流断路器被动隔离故障的传统思路，而是充分利用主动型换流器强大的控制能力，在保证系统稳定性的前提下，通过换流器非闭锁的主动控制和与直流断路器协同控制，提高直流线路故障检测和定位的准确性，减小直流断路器开断电流，降低对断路器开断速度和容量的要求，优化重合闸过程，从而大幅降低直流断路器的技术难度和制造成本，形成一套全新的应对架空柔直电网线路故障的主动控制方法，为推动直流电网的发展提供技术支持。

直流线路短路故障的应对是架空柔直电网发展面临的主要瓶颈之一，现有方法采用高速大开断容量直流断路器被动隔离故障，造价昂贵且可靠性还待工程验证。项目组突破了单纯依靠复杂昂贵的高速大开断容量直流断路器被动隔离故障或闭锁换流器的常规思路，系统研究了应对架空柔直电网线路短路故障的主动控制技术基础，对限流机理、暂态能量转移机制进行了分析，提出了超快速故障检测算法、故障隔离协调控制方法、重合闸优化控制方法，构建了架空柔直系统主动控制动模实验平台，建立了比较完整的应对架空柔直电网故障全过程的“主动控制”体系，圆满完成了项目计划书的研究任务，取得了如下创新性研究成果：.1. 系统研究了主动型换流器主动限流控制的机理，分析了直流电压前馈解耦对直流电流的作用，进一步分析了直流电压前馈控制器和前馈控制权值系数对直流电流控制环路稳定性的影响；研究了不同延时下前馈解耦控制器对故障电流峰值的影响，分析了直流故障期间交流电源-主动型换流器-直流网络的暂态能量转移机制，为主动控制理论分析奠定了基础。.2. 提出了多域超高速架空柔直电网故障检测方法，发明了基于暂态电压能量和基于电抗器电压差异性的频域、模域故障检测方法，具有保护时间窗短、动作速度快和可靠性高的特点，能够在故障后2ms左右实现保护出口，具有一定的耐受过渡电阻能力；进一步地，分析了主动限流控制提供的 “负电压行波” 特性，设计了两阶段故障保护方法，将过渡电阻耐受能力提高到500Ω。.3. 发明了主动型换流器直流电压目标预设控制和直流功率前馈控制，故障暂态期间缓解了换流器交直流功率的不平衡，故障清除后加快了直流电网直流功率的恢复速度；发明了新型耦合型机械式直流断路器，提高了断路器的开断可靠性与经济性。针对小型柔性直流电网和大型网络，提出了两种主动型换流器和直流断路器的协调控制策略，论证了主动控制方案的技术优势。.4. 针对主动型换流器和低开断容量机械式断路器的组网方案，提出了基于主动信号注入的架空柔直电网故障重合闸控制方法，利用主动型换流器生成交变信号通过机械式断路器的LC回路注入到故障线路，设计了故障性质判别判据提前辨识故障性质，避免了系统重合闸于永久性故障带来的二次冲击，缩短了瞬时性故障清除后的重合闸时间。