多端直流輸電系統控制研究綜述

徐殿國 劉瑜超 武 健

(哈爾濱工業大學電氣工程系 哈爾濱 150001)

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多端直流輸電系統控制研究綜述

徐殿國 劉瑜超 武 健

(哈爾濱工業大學電氣工程系 哈爾濱 150001)

多端直流輸電技術具有多起點多落點等特點，作為目前實現新能源并網最具潛力的方式，是未來直流電網發展的主要趨勢。多端直流輸電系統控制是實現系統穩定運行的關鍵技術之一，從多端直流輸電技術發展的背景入手，概述多端直流輸電技術的發展現狀，介紹目前多端直流輸電系統功率協調控制的主要方式及存在的問題，并討論分析多端直流輸電系統的控制及保護方法，為多端直流技術的后續研究提供參考。

多端直流輸電 系統控制 功率協調 故障保護 綜述

0 引言

風力、光伏發電作為經濟性和實用性較高的可再生能源，近年來發展迅速。但受限于目前電網實際情況及電力系統消納問題，風力發電和光伏發電發展舉步維艱，甚至出現了大量的“棄風”、“棄光”現象。一方面，由于中國電力資源主要分布在西北部地區，且風電場大部分是離岸海上風電場或偏遠地區，而目前以及未來很長一段時期內，國內的大部分負荷主要集中在中東部地區，需要實現遠距離電力傳輸；另一方面，由于風力發電及光伏發電的隨機性和穩定性低等特點，若將其直接接入電網會引起電網中的有功擾動，惡化電網中的頻率質量，此外，與電網解耦的變速風電機組隱藏了自身的慣量和調頻能力，進一步使電網缺乏慣量支持。這些問題已成為抑制新能源發電發展的瓶頸[1]。因此，實現新能源并網和遠距離輸電的要求十分迫切。

遠距離大容量的輸電無論從技術上還是經濟上都應優先選擇高壓直流輸電方式。基于電壓源換流器的柔性直流輸電(Voltage Source Converter High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)技術的風電場聯網已被廣泛認為是實現大型風電場及風電場群與主網之間穩定互聯的最有潛力的電力傳輸方式[2-4]。一方面，VSC-HVDC可以獨立快速控制系統的有功和無功，維持電網接入點電壓穩定，保證風電場不脫網運行，極大地增強了風電并網的靈活性[5]；另一方面，通過大面積建設VSC-HVDC的直流電網可將大量可再生能源與現有能源系統互聯，實現多種類、多形式和多時間尺度的靈活電力系統[6，7]。然而，采用傳統的兩端直流輸電系統實現多個電網之間的互聯，需要多條直流傳輸線路，成本和運行費用很高。在兩端直流輸電的基礎上發展而來的具有3個及3個以上換流站的直流輸電，稱為多端柔性直流輸電(VSC-MTDC)，它具備常規直流輸電系統遠距離輸電、潮流反轉而電壓極性不變等優點，且可實現多電源供電和多落點受電，該技術的出現很好地解決了風電并網所遇到的難題。因此，開發含風力發電的VSC-MTDC系統，解決風電并網和消納問題，突破目前風力發電的瓶頸，增強電網和風電系統之間的友好兼容關系是未來電網發展的趨勢。

目前MTDC技術發展所面臨的挑戰主要包括系統控制、系統故障分析及保護。一方面，急需改善含風力發電的MTDC系統的功率調節能力，使各端電網相互之間能夠提供更完善的功率支持；另一方面，需要研究MTDC系統的故障保護策略，提高其可靠性和故障穿越能力。我國目前對VSC-MTDC系統還未給出特定的技術指標要求，英國給出了3個MTDC技術要求，分別是：①無論正常運行還是故障條件下，直流電壓必須可控；②當陸地電網發生故障時，MTDC能支持電網，滿足低電壓穿越，并對電網提供無功支持；③當MTDC內部發生故障時，給出系統所允許的有功減少量的最大值，即為了保證系統的穩定性，應盡量減少因內部故障而造成輸送功率的缺失[8]。

本文首先從國內外MTDC系統的發展概況入手，介紹現有多端直流輸電工程，并介紹換流站拓撲及MTDC系統拓撲的發展概況；其次，從系統控制和故障分析及保護兩個方面論述MTDC的研究現狀及存在的關鍵問題；最后，總結MTDC技術的系統控制發展，并進行展望，為未來MTDC技術的研究提供參考。

1 多端直流輸電技術發展

多端直流輸電的概念最早于20世紀60年代被提出。因其在輸電方面所占有的優勢而得到廣泛認可，迄今為止，世界上已存在多個多端直流輸電工程，國內外各個MTDC工程的概況如表1所示。

1.1 換流站拓撲

換流站拓撲結構是MTDC技術的核心，其發展歷程主要分為三代：第一代為晶閘管換流器(Line Commuted Converter，LCC)；第二代為兩電平或三電平電壓源換流器(VSC)；第三代為模塊化多電平換流器(MMC)和兩電平級聯換流器[9]。第一代由于晶閘管易出現換相失敗和系統發生潮流反轉時電壓極性發生反轉等缺點逐漸被VSC取代。第二代由于電力電子開關耐壓等級、容量等級和通流能力問題，換流器存在二極管續流，難以實現故障快速清除等問題，難以適用于高壓大容量的柔性直流輸電系統。因此，第二代主要適用于分散性、輕小型功率輸送場合，如風電、光伏并網、海上孤島供電或海上鉆井平臺供電等。第三代換流器拓撲是目前直流輸電的研究熱點，MMC因其滿足高壓大容量，同時具有良好的故障穿越能力而得到了各界學者的青睞。目前研究傾向于結合第一代和第三代換流器的優點組成混合多端直流輸電拓撲，提高系統的靈活性。

1.2 MTDC系統拓撲結構

MTDC系統拓撲需要綜合考慮穩定性、故障穿越能力、斷路器與隔離開關數量以及成本等因素來決定。目前對于MTDC系統的拓撲結構，還沒有一套完整的評價標準。文獻[7]介紹了幾種常見的MTDC連接方式，主要分為串聯型和并聯型。以四端系統為例，串聯型MTDC系統如圖1a所示，各換流站流過的直流電流相同，需要有一端換流站控制直流電流，其他換流站調節功率分配。該連接方式故障恢復速度慢，當有新器件接入電路中時，對設備的絕緣和耐壓等級要求高，不利于電網拓展。因此，實際中應用較少。并聯型MTDC系統各換流站的電壓等級相同，故障恢復快，有利于電網拓展，因此，在工程中得到了廣泛應用。而并聯型MTDC根據換流站之間的連線方式又可分為輻射型和環網型，分別如圖1b、圖1c所示。輻射型連接方式是將所有換流器的連線匯聚到一點，形成分支結構，該拓撲接線短，經濟性好，適用于遠距離輸電和海上風電場并網，缺點是當電路中任意一條線路檢修或是發生故障退出時，至少有一個換流站停運。環網型連接方式是利用輸電線路將系統中所有換流站連接成一個閉合回路，當一個換流站出現故障時，其他換流站利用各自的過負荷能力使系統繼續保持運行，可靠性高，易于檢修，運行方式靈活，而缺點是系統潮流易受運行方式的影響，且系統控制復雜，直流線路投資成本高。混聯結構則由串、并聯換流站結合組成，如圖1d所示，具有更高的靈活性。

圖1 MTDC系統主要拓撲結構Fig.1 The topologies of MTDC

目前MTDC最典型的應用是連接近海風電場與電網。文獻[9，10]給出幾種常見的應用于風電場并網的MTDC拓撲結構，并進行了簡單的比較和分析，但未進行深入研究。其中最常用的是星形拓撲和環形拓撲，還包括點對點拓撲、星形和環形混合拓撲、風電場環形拓撲、變電站環形拓撲以及一些其他拓撲，其他拓撲都是以更多的直流斷路器和更復雜的電路，以及更高的成本來換取系統更高的靈活性，實際應用價值不大。文獻[11]提出連接海上風電場的串聯MTDC拓撲，并提出了相應的控制策略，但出現故障時對整個系統影響較大。

2 MTDC系統控制

由于MTDC系統控制中需協調控制多個換流站，對于串聯型MTDC系統，需保持各換流站直流電壓的平衡；對于并聯型MTDC系統，需保持各換流站直流電流的協調分配。選擇適合的運行模式和控制方式是MTDC正常運行的基礎。MTDC的控制模式與換流器類型、系統規模、運行要求等密切相關，并決定了MTDC的上層協調與上層控制器設計。

2.1 MTDC系統控制方式

目前，MTDC技術仍處于理論研究和工程試驗階段。MTDC系統控制最基本的要求是需要滿足N-1原則，即任一換流站退出都不影響系統的穩定運行。目前MTDC的控制方式按照直流電壓控制方式主要分為單點直流電壓控制方式和多點直流電壓控制方式，常見的多端直流輸電控制方法分類如圖2所示，其中各方式的優缺點對比如表2所示。

圖2 MTDC系統控制方式分類Fig.2 Classification of MTDC system control methods

方式主從控制電壓裕度控制下垂控制分段下垂控制直流電壓穩定性好較好較差較差系統功率平衡由主站和從站承擔由主站和預備主站承擔由多個換流站共同承擔由多個換流站共同承擔控制單個換流站功率可以準確控制可以準確控制難以準確控制難以準確控制是否依賴通信依賴不依賴不依賴不依賴控制器設計控制器結構簡單需選擇合適的電壓裕度值電壓下降特性選取較為復雜需選取合適的電壓閾值

主從控制器的工作特性曲線如圖3所示(圖中A為穩態工作點A，B為穩態工作點B，C為VSC1故障，后圖同此)，一般設定一個主換流站作為功率平衡節點來實現直流電壓的控制，其他換流站設定為定有功功率控制，一旦主換流站發生故障退出運行時，從換流站代替主換流站切換到定直流電壓控制模式。該控制方法優點是控制簡單，缺點是對換流站間的通信要求較高，通信故障后系統難以控制[12]。

圖3 主從控制工作特性曲線Fig.3 Working characteristic curves of master-slave control

電壓裕度控制是主從控制的一種擴展，相當于一種改進的具有多個可選擇功率平衡節點的定直流電壓控制，當一端功率平衡節點故障或達到系統限制時，電壓調節控制由另一換流站接替，其工作特性曲線如圖4所示。文獻[13]首次提出電壓裕度控制并用于直流電網，該控制是定直流電壓和定有功/電流控制的結合，換流站正常運行在定有功/電流控制下，當直流電壓偏差達到電壓裕度的限制后，換流站切換為定直流電壓控制，使直流電壓保持在電壓裕度限制值以內，防止直流電壓偏差進一步增大，但該控制方法在主控制器切換時會引起系統振蕩。

圖4 電壓裕度控制工作特性曲線Fig.4 Working characteristic curves of voltage margin control

電壓下垂控制的工作特性曲線如圖5所示，其基本思想是基于功率-頻率下垂控制。各換流站通過測量自身功率的大小，基于電壓下垂特性，將功率轉換為以輸出電壓為指令的控制信號，再根據調整后的功率反作用于輸出電壓信號，達到自我調節、自動分配功率的目的。系統中各個換流站共同承擔功率平衡，通過調節直流電壓來控制功率的大小。因為下垂控制中多個換流站共同參與功率的平衡和直流電壓的調節，因此，其相對于主從控制具有更高的可靠性，且不會造成電壓振蕩。文獻[14]提出一種基于直流電壓-有功調節特性的控制策略，在系統負荷突變或任一換流站故障退出后，具備功率調節能力的換流站自動完成功率的重新分配，擾動發生后各換流站均能穩定運行。

圖5 下垂控制工作特性曲線Fig.5 Working characteristic curves of droop control

分段下垂控制結合了電壓裕度控制和下垂控制的優點，以兩階分段下垂控制為例，其工作特性曲線如圖6所示。文獻[15]詳細介紹了多階混合控制，文獻[16]提出含死區的下垂控制，該控制類似于電壓裕度控制，換流站正常運行在定有功/電流控制下，當直流電壓偏差達到電壓裕度限制值后，換流站切換為下垂控制。文獻[17]提出一種改進的電壓-功率下垂控制，在下垂控制中增加兩條線段，同時在有功和直流電壓控制的切換過程中加入滯環控制，避免模式之間的頻繁切換。文獻[18]提出一種基于功率控制與直流電壓控制之間自動轉換的MTDC系統控制模式。文獻[19]提出適用于風電場并網的基于直流電壓偏差控制的多點直流電壓控制方式，該控制方式無需通信、簡單可靠，能保證定直流電壓控制的換流站故障退出后，系統能繼續維持有功的平衡和直流電壓的穩定，確保風電場的可靠輸出。

圖6 分段下垂控制工作特性曲線Fig.6 Working characteristic curves of segment droop control

2.2 MTDC系統功率協調控制

直流網絡中直流電壓的穩定相當于交流網絡中頻率的穩定，在缺乏定直流電壓控制的MTDC系統中，直流過電壓將嚴重影響換流站，甚至導致系統直流保護電路誤動作。然而，直流電壓的控制與交流系統中頻率的控制又有所區別。一方面，由于直流系統中沒有大的儲能系統，不具備交流系統所具備的旋轉慣性，系統中任何擾動將影響直流電壓變化；另一方面，由于線路電阻導致直流電壓產生壓降，直流電壓的檢測信號無法作為系統中的全局控制信號。為了解決該問題，文獻[20]提出采用公共電壓信號或者標準電壓，但該方法依賴于通信，且缺乏下垂控制換流器的局部信號。文獻[21]提出一種MTDC二級控制方法，即時更新直流電壓參考值，避免由線路阻抗產生的壓降所引起的換流站電壓不同導致換流站出現功率偏差。

MTDC系統采用下垂控制有助于對各個換流站之間的協調控制，但下垂控制無法控制整個有功潮流，因此，傳統的電壓下垂控制無法實現定直流電壓[22]，難以實現功率分配和電壓波動之間的權衡。針對此，文獻[23]提出了一種改進的下垂控制策略，該策略結合了定直流電壓和下垂控制的優點，但未考慮換流站過載或故障引起直流電壓偏差過大時，系統之間的功率協調控制。文獻[24]提出一種四端直流輸電系統功率分配的設計方法，給出不同電壓控制方法和功率調度策略以滿足不同的電力需求。文獻[25]討論了下垂電壓控制與直流電壓壓降之間的關系，研究了換流站故障后電壓偏差與功率分配之間的關系，但僅限于故障情況。

傳統下垂控制都是嚴格按照事先設定好的下垂曲線來調節換流站的功率變化，無法靈活應對不同的條件變化，下垂系數固定，未考慮實際負載情況和換流站承擔功率的動態裕量。有學者提出適用于功率分配的自適應下垂控制方法，文獻[26]將一臺逆變器設定為基準，對其進行傳統的下垂控制，通過基準逆變器和其他逆變器的功率之差自適應調節各個逆變器的下垂系數，但各個逆變器之間需要通信。文獻[27]考慮了換流站可能的動態裕量，避免了換流站過載，但下垂系數計算復雜，響應速度慢。

MTDC系統下垂控制中，下垂系數的選取將影響整個系統的運行特性。文獻[28]對比分析了電流-電壓下垂控制和功率-電壓下垂控制的特性，證明這兩種方法是等效的，并研究了下垂系數的改變對電壓偏差的影響。文獻[29]指出，在忽略直流線路電阻的影響下，MTDC系統中直流下垂系數越小，直流線電壓下降引起的直流網側功率分配的偏差越大。在相同的電壓等級下，合理的下垂系數可以減小系統的總損耗。為了使MTDC系統損耗最小化，文獻[30]提出一種循環下垂控制方法，但該方法僅適用于連接風電場的環形多端拓撲。由于下垂控制高度依賴MTDC系統拓撲及電纜參數，文獻[31]基于多端系統建模和頻率響應繪制提出了下垂系數設計方法，以減小系統額定誤差。文獻[32]針對不同的換流器故障時的功率分配提出了下垂系數的選取方法。文獻[33]基于混合敏感準則提出一種下垂系數的計算方法，但都未考慮不同應用場合下的有功潮流的最優化。

2.3 含風電場MTDC系統協調控制

一方面，由于直流輸電對海上和陸上電網進行了解耦，導致海上風電場慣性減小，且隨著風電場容量增加，系統的慣量越小，在系統負荷變化或故障情況下，系統將產生較大的頻率偏移，嚴重影響直流輸電系統的穩定性；另一方面，由于風電的不確定性，直接接入電網必然會影響系統的穩定性。因此，需要完善含風電場的MTDC系統的協調控制，提高風電利用效率。

文獻[34]討論了風電不確定性對電網系統的影響，包括電網頻率、電壓、電能質量和暫態穩定性等，提出通過提高風電場的可控性和調度性來減少風電場不確定性對電力系統的影響。為了減少交流系統中的頻率偏移，文獻[35]提出一種基于當地直流電壓-頻率下垂控制的頻率支撐策略，但該控制策略未考慮非對稱雙極結構。文獻[36]分析討論了含有金屬回路的非對稱雙極MTDC結構交流系統的頻率支撐，但忽略了交流側鎖相環對系統的影響。文獻[37，38]分析了MTDC中風電場側電壓-電流的特性，并針對VSC在正常和故障條件下的電壓-電流特性設計了一種控制系統。文獻[39]基于VSC電壓-電流特性和故障時減少功率注入的思想，提出大規模海上供電的協調控制策略。文獻[40]提出一種直流電壓優化控制方法，通過檢測直流電壓偏差，換流站在定有功和下垂控制中切換，但在功率頻繁變化的場合，不同控制模式之間的頻繁切換將影響系統的穩定性。為了提高風電場并網電壓的穩定性，文獻[41]提出一種改善電壓穩定性的風電場無功和電壓協調控制方法。當系統故障時，風電場采用下垂控制減小功率控制，同時引入風電場頻率為控制信號，自主調節風電場功率，從而保持直流電壓穩定，避免換流站之間通信。

對風電場而言，其本身相當于一個存在多源接入的低壓配電網，因此風電場的有功/無功控制既有局部性也有全局性，必須將兩者協調統一才能達到較理想的控制效果。然而，目前研究通常將風電場的有功和無功分別獨立控制[42]。風電場的有功控制一般分為兩種：一種是將風電場等值為單臺風電機組，通過最優轉速控制、隨機最優控制等方式[43]，模擬風電場的有功控制；另一種是考慮單機控制特性的風場內多臺風電機組之間的協調控制[44]。由于風電場的有功輸出和風電場的風速關系極為密切，可控性較弱。因此，風電并網的研究更多集中在無功/電壓控制。文獻[45]提出一種基于預測控制弱化風電場功率波動的無功電壓協調控制方法，但該方法對風電場的模型要求較高。文獻[46]根據風電場局部區域某節點電壓與參考值的偏差得到整個風電場的無功需求，并按等功率因數算法分配給各臺風電機組。文獻[47]提出按風電場容量、系統潮流和損耗3種不同的方式分配無功，但未詳細對比3種方式的適用場合。文獻[48]提出一種風電場面向接入點電壓控制的協調控制策略，基于風電場功率預測數據的優化預先進行電容器組投切控制，并將風機按剩余的無功裕度比例調節各臺機組的無功輸出。文獻[49]提出了風電場群的無功電壓協調控制思路，以風電場群的匯集站為電壓中樞點，以各風電場升壓變壓器的高壓側電壓為約束，協調控制各風電場的無功調節裝置動作。

2.4 多端直流輸電系統最優潮流控制

最優功率潮流(Optimal Power Flow，OPF)計算作為一個重要的規劃工具在交流系統中已被廣泛使用。在MTDC系統中，OPF也被作為一項重要指標受到廣大學者的重視。隨著MTDC系統中節點數的增加，約束條件增多，OPF的計算仍然是一個巨大的挑戰。文獻[50]提出了VSC-HVDC的最優功率潮流模型，但僅限于兩端直流輸電系統。文獻[51]討論了系統穩態最優潮流，并通過暫態仿真分析了四種不同拓撲結構的AC/DC直流網絡，但該方法不具有通用性。

為了減小MTDC系統中器件損耗和傳輸損耗，文獻[52]針對VSC-MTDC的OPF進行了成本效益分析。文獻[29]研究了線路電阻對MTDC有功潮流的影響，指出線路阻抗上的壓降影響系統功率分配，但未提出解決方法。文獻[53]通過計算系統功率損耗，研究了MTDC功率的準確控制。文獻[54，55]研究了VSC-MTDC中不同元件的損耗，提出了OPF控制方法，但僅優化了直流側而未考慮交流側。文獻[56]提出了適用于定直流電壓控制和直流電壓下垂控制的交直流網絡的OPF，以減小系統的傳輸損耗。文獻[57]提出了一種連接大型海上風電場的MTDC最優潮流方法，計算出最優電壓并通過通信傳遞給各個VSC。

任何MTDC系統都需要滿足N-1安全準則，即任一換流站退出都不影響整個系統的穩定運行。因此，MTDC系統的安全性約束最優有功潮流(Security Constrained Optimal Power Flow，SC-OPF)成為一個研究挑戰。SC-OPF的目的是在一定的約束條件下，需要同時滿足穩態條件以及故障條件下MTDC系統的經濟運行。文獻[58]基于線性近似提出SC-OPF控制方法，同時考慮了HVDC的準確控制。文獻[59]基于直流OPF提出了一種新型分布式電壓直接控制策略，并根據是否含有N-1故障條件進行了比較，但該控制僅考慮了直流網絡而忽略了交流網絡。文獻[60]提出一種改進的含校正的SC-OPF方法，該方法考慮了MTDC系統交直流側N-1故障時的安全約束條件。

3 MTDC故障分析及保護控制

MTDC系統的故障分析和保護控制仍是其發展的一個障礙，其中首要解決的是直流換流站故障后的啟停技術。需要通過對故障情況的綜合分析，并對故障信息進行快速、準確檢測，而后做出相應的保護動作。

3.1 MTDC故障分析

在系統故障情況下，快速準確地獲取故障后信息并對故障進行定位，是采取合理控制策略的關鍵。按照故障的位置，換流站故障可以分為直流側故障和交流側故障兩大類。直流側故障包括直流側輸電網故障和MTDC系統中換流站故障，典型的故障現象為直流母線電壓波動。交流側故障則包括交流電網或風電場側發生短路等，典型故障現象為交流側電壓出現幅值和相角突變以及三相不平衡等。文獻[61]根據暫態電流的特征對MTDC直流傳輸線路故障進行定位，但該方法對MTDC保護系統要求較高。文獻[62]提出兩種故障識別方式，一種是設定電流上升和電壓下降的區間，通過判斷系統是否超過限定值來檢測故障，但只能區分交流故障和直流故障；另一種是通過比較各個換流器故障電流的增長速度來判斷。

直流故障下系統的運行能力是評估直流輸電系統的重要指標[8]。對直流側故障的研究重點在于無遠端通信條件下如何對直流側故障的辨識和處理。直流輸電系統中直流故障電流會對器件造成沖擊，并且，直流側故障對連接交流系統而言相當于三相短路故障，尤其對MTDC系統而言，直流側單點故障相當于多點故障，對系統的穩定運行造成很大的影響。根據電力電子設備的特點，為防止直流故障引起直流過壓造成設備損壞，直流側通常需設置放電或儲能單元。由于直流側沒有電流過零點，需要對應的故障保護器件來快速中斷大電流。針對直流側故障，可以將MTDC系統中換流站故障處理與MTDC系統拓撲相結合，根據系統的拓撲結構制定相關策略。

在交流電壓故障情況下，并網電壓發生突變，系統需要快速準確地檢測電網電壓的幅值及相角變化，包括故障情況下電壓基波幅值、相位信息的變化特征，不對稱故障情況下負序分量的產生，故障對換流站的危害程度等。

3.2 MTDC保護控制

對于VSC-MTDC，由于續流二極管的存在，系統發生直流故障時，即使封鎖開關管脈沖信號，直流電流仍會流入故障點，如果不加入直流斷路器(Circuit Breakers，CBs)，則必須封鎖所有換流站的交流CBs，系統重啟時，需要重新對電容充電，耗時較長。針對此問題，文獻[57]提出采用MMC換流器拓撲將直流故障電流限制到一個較低水平或者為零。然而，即使MMC具有故障容錯能力，MTDC系統中仍需要直流CBs，將故障電路隔離，從而保證系統恢復時系統中不含功率。文獻[63]提出一種直流故障控制方法，但該控制方法下，一旦出現故障，必須所有換流站同時退出，靈活性不高。

MTDC的保護系統不僅要保護系統中的元件，還需要維持故障以外的系統穩定運行，因此，需要在其他連接的換流站封鎖并變成不可控之前斷開直流CBs隔離故障。ABB提出的直流CBs成為一大突破。但所提出的直流CBs解決方案還不足以使系統故障后快速恢復運行。為了克服時間限制，文獻[64，65]提出在換流站出口使用限流電抗器，減小直流故障電流的峰值及上升速度。但加入電感后，在減小系統的故障電流的同時，一方面，降低了多端系統的剛度，影響了系統的潮流控制，需要在換流站控制器中加以補償，增加了換流站控制器的復雜度；另一方面，增大了系統的成本和體積。文獻[66]基于協方差適應進化策略提出一種限流電感設計的優化方法，一方面在VSC輸出側將電抗器電感值最小化；另一方面，將電抗器的成本、體積以及直流故障電流峰值最小化。為了確保MTDC系統的可靠性，必須對故障線路和換流站進行解耦，提高MTDC故障穿越能力，文獻[67]提出一種利用換流站局部控制信號，減輕故障時有功注入交流網絡所造成的直流電壓上升，無需通信。

傳統的機械斷路器響應時間長，且半導體開關所承受的電流應力大。直流固態斷路器可以縮短中斷時間，但其成本較高，且由于主回路中存在半導體器件導致較大的通路損耗。文獻[68，69]對HVDC CBs進行了綜述，討論了直流故障電流的研究進展，研究了HVDC斷路器的設計，同時，對比分析了電流源型換流器(Current Source Converter，CSC)和VSC之間的差別。對于CSC-HVDC而言，功率容量大且系統損耗小，保護系統已較成熟，而缺點是交流側故障將導致換相失敗，從而使直流電壓崩潰。相反，VSC-HVDC則對于直流側故障極其脆弱，任何地點發生直流故障將引起幅值極大的故障電流。系統故障時，CSC-HVDC的直流短路電流上升率較小且可控，但VSC-HVDC的短路電流上升率很大。

在交流系統中，CBs可以切斷全部短路電流。相比于交流CBs，直流CBs體積更大，價格更昂貴。因此，文獻[70]提出使用換流站控制來中斷直流線路故障，假設系統發生非持續性故障，換流站和直流線路可重新上電，整個過程需要幾百毫秒到幾秒時間，適用于兩端直流輸電系統，但該方法只適用于CSC或者交流斷路器。文獻[68]提出切斷整個HVDC系統，但該方法只適用于小功率的三端或四端系統。文獻[71]對比分析了直流故障對不同的MTDC拓撲的影響，提出了直流故障保護策略，為了清除故障，基于故障時間和電流方向的故障檢測方法對比分析了4種不同的直流CBs技術，研究表明對稱單級拓撲在故障中所受的影響最小。

4 結論

MTDC方式作為目前連接新能源，實現電網互聯最有潛力的方式，是未來電網發展的必然趨勢。其系統控制和故障保護控制仍然是MTDC技術發展的兩大挑戰。

1)目前，MTDC系統的協調控制為了避免高度依賴通信，在傳統下垂控制的基礎上進行改進，很難做到兼顧直流電壓穩定和有功功率協調分配。因此，應進一步提高MTDC系統功率協調技術，在實現保證系統直流電壓穩定的同時，合理分配系統功率，從而改善MTDC系統的穩定性，逐步提高新能源在電網中的主動調節能力。

2)針對MTDC系統所表現出的良好性能和應用前景，基于MTDC的風電場協調控制應進一步深入研究，以充分發揮風場側的有功、無功控制能力，使風電場與電網之間在一定目標下實現協調和互動，合理分配和控制風電場的輸出功率、減小電壓波動，以有效抑制風電隨機性帶來的影響，改善新能源并網的穩定性，提高電網對風能的消納能力。

3)在未來MTDC發展階段，系統故障的檢測和保護控制技術仍然是MTDC系統的主要研究方向之一。隨著MTDC系統換流站個數增多，拓撲結構更復雜，各個換流站之間的關系也更為密切，換流站故障的控制及保護關系到整個MTDC系統的穩定運行。因此，應進一步改進和提升直流斷路器技術以及換流站故障自清除能力，提高MTDC系統的故障穿越能力。此外，還應進一步研究MTDC系統在故障清除后重新恢復聯網運行。

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Review on Control Strategies of Multi-Terminal Direct Current Transmission System

XuDianguoLiuYuchaoWuJian

(Electrical Engineering Department Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China)

Multi-terminal direct current(MTDC) technology has the characteristics of multiple starting points and multiple placement points.As the most promising way of new energy connectinggrid，MTDC is the main trend of dc power grid development.MTDC system control strategy is one of the most key technologies to achieve system stable operation.This paper starts with the background of MTDC technology development，and an overview of MTDC development is discussed.The main power coordinate control methods and the existing problems of current MTDC system are introduced，and the analysis of MTDC system control and protection methods are discussed to provide reference for further research of MTDC.

Multi-terminal DC transmission，control strategy，power coordination，fault and protection，review

國家自然科學基金重點項目(51237002)資助。

2015-07-22 改稿日期2015-07-27

TM721

徐殿國 男，1960年生，教授，博士生導師，研究方向為電力電子及多端直流輸電技術。

劉瑜超 女，1989年生，博士研究生，研究方向為多端直流輸電控制。(通信作者)