特约主编寄语 | “直流电网故障电流抑制技术”专栏

主编寄语

     在国家“3060”双碳目标的驱动下，构建以新能源为主体的新型电力系统已成为行业共识。柔性直流电网具有灵活、可控、高效等特点，是构建新型电力系统的重要发展方向之一，也是支撑高比例清洁可再生能源接入的有效手段。目前，中国已建成投运世界首个柔性直流电网工程，用于接入张北地区的大规模清洁可再生能源，并向北京冬奥会场馆提供绿色电能，为未来直流电网技术的发展和推广应用提供了典型示范。

然而，不同于交流系统，直流电网故障过程复杂，故障电流无过零点、上升速度快、幅度大，电力电子设备耐过流能力差等问题，严重制约直流电网的发展。要保证直流电网乃至互联交流系统安全可靠运行，首先需要解决故障电流抑制的突出难题。直流电网是由大量电力电子设备构成的多能量源、多阻抗、强耦合的非线性复杂大系统，其网架结构及分布参数、控制及运行方式造成阻尼频变特性复杂，这对研究直流电网故障电流的影响机理及分布规律、暂态能量交互作用及其释放转移特性、直流电网仿真建模等问题带来了极大的挑战，亟待研究解决故障电流有效抑制技术的相关问题。
为展示该领域的研究进展和发展趋势，共享最新学术和技术成果，《中国电力》组织策划了“直流电网故障电流抑制技术”专栏，旨在从系统分析、建模仿真、装备技术等方面探讨直流电网故障电流抑制的关键技术，本期专栏共收录论文8篇。
在系统分析方面，王子文等提出了一种基于伴随网络的直流电网短路电流计算方法，并从计算精度和计算效率两方面验证了所提算法的有效性；袁敏等分析了主电路参数对高压直流电网直流短路故障电流的综合影响，可为故障电流抑制研究和多元件参数综合优化提供理论依据；吴嘉玲等研究了不同电网结构下直流线路单极接地故障的过电压水平，得出了相应的影响规律。在建模仿真方面，夏仕伟等搭建了包含多种限流设备的柔性直流输电网数字仿真模型，提出不同限流设备的等效建模方法，可以实现对稳态、故障等多种工况的精确拟合。在装备技术方面，范世源等研究了具有直流故障穿越能力的模块化多电平换流拓扑的推演，并进行了系统性的对比，为具有故障穿越能力需求的交直流变换场景提供模块化多电平换流拓扑的选择依据；全月等提出了一种集成直流断路器功能的高压大容量DC/DC变换器，具有轻量化、低成本、高效率的优势；包萌等研究了柔性直流换流站短路工况下直流场磁场计算建模，并进行了预测分析，计算结果可为二次设备抗扰度考核和电气设备布置提供参考；马江江等结合换流站主设备模型建立了特高压换流站系统等效电路模型，对其含换相过冲的持续运行电压峰值水平进行计算，并进一步分析了各设备模型参数对于该值计算的影响规律。
本专栏希望通过广大科研工作者对最新研究进展和未来方向的共同研讨，促进在直流电网故障电流抑制技术这一研究方向更多的开拓创新，并收获累累硕果。衷心感谢有关专家学者对本专栏的大力支持！感谢《中国电力》编辑部在本专栏的策划和出版过程中所给予的大力支持！

特约主编

贺之渊，博士，教授级高级工程师，国家“万人计划”领军人才，获国务院特殊津贴，现任国网联研院直流输电技术研究所所长，先进输电技术国家重点实验室副主任。长期从事大功率电力电子技术及其在电力系统中应用的研究。主持或参与了多项国家科技重大专项、国家重点研发计划项目、973计划、863计划、国家自然科学基金等重大科技项目。带领团队实现了我国在柔性直流输电领域基础理论和关键技术的自主创新突破，相继攻克了大功率电力电子试验装置、柔性直流输电和高压直流断路器等多项世界领先的重大技术。获国家发明二等奖1项，省部级科技进步一等奖5项；获授权专利100余项，其中2项分别获中国专利金奖和优秀奖；参与出版学术专著3部，发表SCI/EI论文80余篇；参与制订IEC国际标准3项、CIGRE导则1项、国家标准3项、行业标准1项。

刘天琪，博士，四川大学电气工程学院教授/博士生导师，四川大学电力系统稳定与高压直流输电研究团队学科带头人，四川省教学名师。中国电机工程学会电力系统专委会、高压直流输电与电力电子专委会委员；CIGRE SC B4中国专业委员会委员；IEEE高级会员、中国电机工程学会高级会员；《电力自动化设备》编委。长期致力于电力系统分析计算与稳定控制、高压直流输电、新能源接入与优化的教学与科研工作。国家长江学者、自然科学基金评审特邀专家；主持并参与了国家重点研发计划项目、973、863、自然科学基金、省部级项目30余项，电力企业课题30余项。其中包括国家重点研发计划项目“柔性直流电网故障电流抑制的基础理论研究”、863项目“提升电网安全稳定和运行效率的柔性控制技术”、国家自然基金重点项目“坚强智能电网中送端多直流落点输电系统的稳定性机理分析及其控制方法研究”等项目。主编编著普通高等教育本科国家级规划教材、研究生规划教材，及参与主编部级教材、专著9部，发表SCI、EI检索学术论文100余篇。

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01

摘要：直流线路发生短路故障后，子模块电容作为换流器闭锁前短路电流的主要贡献单元，其极快的放电速度，对直流电网的安全稳定运行提出了严峻考验，亟待开展直流电网短路电流计算方法的研究。首先采用梯形积分法对所建直流电网等效模型中的动态元件进行离散化，再通过改进节点法构建网络方程，迭代求得故障支路各时刻的短路电流，进而提出一种基于伴随网络的直流电网短路电流计算方法。在PSCAD/EMTDC软件中搭建四端双极环形直流电网模型进行仿真，根据直流线路发生不同类型故障的仿真结果，在计算精度和计算效率2个方面，将所提计算方法与典型的状态空间法进行比较，分析了2种方法的误差来源，验证了所提算法的有效性。

02

摘要：针对模块化多电平变换器的高压直流（MMC-HVDC）电网的结构复杂多样，难以构建直流短路故障电流的精确解析分析模型的问题，提出一种基于中心复合实验设计的分析方法用于定量分析和评价主电路参数对直流短路故障电流的综合影响。该方法通过中心复合实验设计，以尽可能少的直流短路电磁暂态仿真实验数据获得故障后6 ms内直流短路故障电流的多因子回归方程，从而对多因子的综合影响进行定量分析和评价。以四端直流电网为例，设计了分析直流电感、桥臂电感和中性线电感以及接地电阻4个主电路参数对直流短路故障电流影响的多因子仿真实验，利用统计学方法分析和评价了各因子对直流短路故障电流峰值的主要影响和交互作用的影响。分析结果表明：4类主电路参数中，直流电感对故障后6 ms内故障电流峰值的影响程度最强，中性线电感对故障后6 ms内桥臂故障电流峰值的影响程度最强，主电路参数间的交互作用可忽略不计。该分析结果为直流电网短路故障情况下故障电流抑制研究和多元件参数综合优化提供理论依据。

03

摘要：柔性直流电网的优势之一是其运行方式灵活可变，考虑到未来在检修等工况下系统可能采取不同的电网结构继续运行，而对于采用架空线的柔性直流电网，直流线路极易发生单极接地故障，因此有必要对不同电网结构下直流线路单极接地故障的过电压水平进行研究。搭建了基于环型四端柔性直流工程的过电压仿真模型，研究了柔性直流电网直流侧接地故障下的暂态过电压特性，计算分析了直流线路发生单极接地故障时，4种柔性直流电网结构下换流站内、外关键节点和设备上的过电压水平。研究表明，伪U型结构下系统的过电压水平相对较低，折线型和真U型电网结构下系统的过电压水平相对较高。不同电网结构对换流变压器阀侧对地电压和换流站母线过电压的影响规律相似。

04

摘要：柔性直流电网具有“低惯性、弱阻尼”的特点，其故障电流上升速度快且峰值高。针对包含大量电力电子器件的限流设备不仅增加系统复杂性，同时也降低直流电网仿真效率的问题，提出不同限流设备的等效建模方法。首先，搭建包含多种限流设备的17端柔性直流输电网数字仿真模型；其次，依据单端口子模块等效建模方法，分别针对其中4种典型故障限流设备提出有效的等效建模策略；最后，基于RT-LAB平台对17端直流电网数字模型进行实时化处理，完成实时模型的搭建。仿真结果显示，所提等效方法和所建实时仿真模型，可以实现对稳态、故障等多种工况的精确拟合。

05

摘要：直流故障具有影响范围广、故障电流大的特征，已成为制约直流系统发展的重要因素之一。模块化多电平换流器可通过配置双极性子模块实现直流故障穿越，但相比于基于半桥子模块的拓扑，其建造成本与运行损耗均大幅增加。为寻求兼顾硬件成本、运行效率与直流故障穿越能力的模块化多电平换流拓扑，首先通过拓扑抽象定义与模块配置约束，遍历并推导出4大类共13种模块化多电平换流拓扑；进而优选出T型桥臂交替多电平换流器，并提出桥臂移相导通调制，实现其高效功率变换与直流故障穿越的兼顾；最后，计及硬件成本、运行损耗、可靠性与可实现性等维度，对各类具有直流故障穿越能力的拓扑进行了系统性对比，为具有故障穿越能力需求的交直流变换场景提供模块化多电平换流拓扑的选择依据。

06

摘要：高压大容量DC/DC变换器是直流电网中电压变换的关键设备。提出一种集成直流断路器功能的高压大容量DC/DC变换器，利用变换器自身控制实现直流侧短路故障阻断功能，具有轻量化、低成本、高效率的优势。首先，分析该变换器的拓扑结构、工作原理，推导子模块、晶闸管、二极管等器件的参数设计依据；然后，提出闭锁子模块和晶闸管阻断故障电流的机制，设计适应于该变换器的控制方案；其次，分别针对正常工况与故障工况进行了仿真与实验验证，结果表明该变换器拓扑结构及控制策略的有效性；最后，通过与其他典型的集成直流断路器功能的DC/DC拓扑进行对比分析，评估所提变换器的技术经济性。

07

摘要：对于安装有混合式直流断路器的柔性直流换流站，直流断路器分断故障电流速度快、内部换流时间短，由故障电流引发的磁场对直流场内二次设备的电磁影响尚不清楚。建立了混合式直流断路器分时段多路径的磁场计算模型，以及平波电抗器、直流母线的磁场计算模型，预测了直流侧发生双极短路故障时定海换流站和张北换流站直流场内二次设备处的磁场，获得了直流场磁场分布规律。计算结果表明：定海换流站和张北换流站直流场现有的二次设备处磁场强度峰值可能达到883 A/m和362 A/m；磁场强度峰值出现在故障电流达到峰值或直流断路器第二次换流阶段；直流场平波电抗器附近和母线布置较多的地方磁场较大。计算结果可为二次设备抗扰度考核和电气设备布置提供参考。

08

摘要：含换相过冲的持续运行电压峰值（peak value of the continuous operating voltage, PCOV）是决定换流站直流避雷器参考电压的一个重要参数。针对昌吉—古泉±1100 kV特高压直流工程建立了换流阀、换流变压器、平波电抗器、PLC滤波器等主设备模型，基于±1100 kV特高压换流站系统等效电路模型仿真计算了各类型直流避雷器的PCOV水平。对比公式法计算结果，PCOV水平整体上一致，最大偏差为13.4%，说明公式法计算值仍留有一定的安全裕度。基于所建立的模型进一步对PCOV计算的影响因素进行分析，结果表明，换流阀的阻尼电阻、阻尼电容、饱和电抗器铁芯电感、换流变压器漏感和平波电抗器电感对PCOV计算的影响较大。

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：方彤

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