徐殿國 劉瑜超 武 健

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系 哈爾濱 150001)

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多端直流輸電系統(tǒng)控制研究綜述

徐殿國 劉瑜超 武 健

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系 哈爾濱 150001)

多端直流輸電技術(shù)具有多起點(diǎn)多落點(diǎn)等特點(diǎn)，作為目前實(shí)現(xiàn)新能源并網(wǎng)最具潛力的方式，是未來直流電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢(shì)。多端直流輸電系統(tǒng)控制是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，從多端直流輸電技術(shù)發(fā)展的背景入手，概述多端直流輸電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹目前多端直流輸電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)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(tǒng)的控制及保護(hù)方法，為多端直流技術(shù)的后續(xù)研究提供參考。

多端直流輸電 系統(tǒng)控制 功率協(xié)調(diào) 故障保護(hù) 綜述

0 引言

風(fēng)力、光伏發(fā)電作為經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性較高的可再生能源，近年來發(fā)展迅速。但受限于目前電網(wǎng)實(shí)際情況及電力系統(tǒng)消納問題，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電發(fā)展舉步維艱，甚至出現(xiàn)了大量的“棄風(fēng)”、“棄光”現(xiàn)象。一方面，由于中國電力資源主要分布在西北部地區(qū)，且風(fēng)電場(chǎng)大部分是離岸海上風(fēng)電場(chǎng)或偏遠(yuǎn)地區(qū)，而目前以及未來很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，國內(nèi)的大部分負(fù)荷主要集中在中東部地區(qū)，需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離電力傳輸；另一方面，由于風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電的隨機(jī)性和穩(wěn)定性低等特點(diǎn)，若將其直接接入電網(wǎng)會(huì)引起電網(wǎng)中的有功擾動(dòng)，惡化電網(wǎng)中的頻率質(zhì)量，此外，與電網(wǎng)解耦的變速風(fēng)電機(jī)組隱藏了自身的慣量和調(diào)頻能力，進(jìn)一步使電網(wǎng)缺乏慣量支持。這些問題已成為抑制新能源發(fā)電發(fā)展的瓶頸[1]。因此，實(shí)現(xiàn)新能源并網(wǎng)和遠(yuǎn)距離輸電的要求十分迫切。

遠(yuǎn)距離大容量的輸電無論從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都應(yīng)優(yōu)先選擇高壓直流輸電方式?；陔妷涸磽Q流器的柔性直流輸電(Voltage Source Converter High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)已被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)電場(chǎng)及風(fēng)電場(chǎng)群與主網(wǎng)之間穩(wěn)定互聯(lián)的最有潛力的電力傳輸方式[2-4]。一方面，VSC-HVDC可以獨(dú)立快速控制系統(tǒng)的有功和無功，維持電網(wǎng)接入點(diǎn)電壓穩(wěn)定，保證風(fēng)電場(chǎng)不脫網(wǎng)運(yùn)行，極大地增強(qiáng)了風(fēng)電并網(wǎng)的靈活性[5]；另一方面，通過大面積建設(shè)VSC-HVDC的直流電網(wǎng)可將大量可再生能源與現(xiàn)有能源系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多種類、多形式和多時(shí)間尺度的靈活電力系統(tǒng)[6，7]。然而，采用傳統(tǒng)的兩端直流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)電網(wǎng)之間的互聯(lián)，需要多條直流傳輸線路，成本和運(yùn)行費(fèi)用很高。在兩端直流輸電的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的具有3個(gè)及3個(gè)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(guī)直流輸電系統(tǒng)遠(yuǎn)距離輸電、潮流反轉(zhuǎn)而電壓極性不變等優(yōu)點(diǎn)，且可實(shí)現(xiàn)多電源供電和多落點(diǎn)受電，該技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了風(fēng)電并網(wǎng)所遇到的難題。因此，開發(fā)含風(fēng)力發(fā)電的VSC-MTDC系統(tǒng)，解決風(fēng)電并網(wǎng)和消納問題，突破目前風(fēng)力發(fā)電的瓶頸，增強(qiáng)電網(wǎng)和風(fēng)電系統(tǒng)之間的友好兼容關(guān)系是未來電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。

目前MTDC技術(shù)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)主要包括系統(tǒng)控制、系統(tǒng)故障分析及保護(hù)。一方面，急需改善含風(fēng)力發(fā)電的MTDC系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)能力，使各端電網(wǎng)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(tǒng)的故障保護(hù)策略，提高其可靠性和故障穿越能力。我國目前對(duì)VSC-MTDC系統(tǒng)還未給出特定的技術(shù)指標(biāo)要求，英國給出了3個(gè)MTDC技術(shù)要求，分別是：①無論正常運(yùn)行還是故障條件下，直流電壓必須可控；②當(dāng)陸地電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，MTDC能支持電網(wǎng)，滿足低電壓穿越，并對(duì)電網(wǎng)提供無功支持；③當(dāng)MTDC內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，給出系統(tǒng)所允許的有功減少量的最大值，即為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減少因內(nèi)部故障而造成輸送功率的缺失[8]。

本文首先從國內(nèi)外MTDC系統(tǒng)的發(fā)展概況入手，介紹現(xiàn)有多端直流輸電工程，并介紹換流站拓?fù)浼癕TDC系統(tǒng)拓?fù)涞陌l(fā)展概況；其次，從系統(tǒng)控制和故障分析及保護(hù)兩個(gè)方面論述MTDC的研究現(xiàn)狀及存在的關(guān)鍵問題；最后，總結(jié)MTDC技術(shù)的系統(tǒng)控制發(fā)展，并進(jìn)行展望，為未來MTDC技術(shù)的研究提供參考。

1 多端直流輸電技術(shù)發(fā)展

多端直流輸電的概念最早于20世紀(jì)60年代被提出。因其在輸電方面所占有的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛認(rèn)可，迄今為止，世界上已存在多個(gè)多端直流輸電工程，國內(nèi)外各個(gè)MTDC工程的概況如表1所示。

1.1 換流站拓?fù)?/p>

換流站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是MTDC技術(shù)的核心，其發(fā)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(jí)聯(lián)換流器[9]。第一代由于晶閘管易出現(xiàn)換相失敗和系統(tǒng)發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)時(shí)電壓極性發(fā)生反轉(zhuǎn)等缺點(diǎn)逐漸被VSC取代。第二代由于電力電子開關(guān)耐壓等級(jí)、容量等級(jí)和通流能力問題，換流器存在二極管續(xù)流，難以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)。因此，第二代主要適用于分散性、輕小型功率輸送場(chǎng)合，如風(fēng)電、光伏并網(wǎng)、海上孤島供電或海上鉆井平臺(tái)供電等。第三代換流器拓?fù)涫悄壳爸绷鬏旊姷难芯繜狳c(diǎn)，MMC因其滿足高壓大容量，同時(shí)具有良好的故障穿越能力而得到了各界學(xué)者的青睞。目前研究?jī)A向于結(jié)合第一代和第三代換流器的優(yōu)點(diǎn)組成混合多端直流輸電拓?fù)?，提高系統(tǒng)的靈活性。

1.2 MTDC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MTDC系統(tǒng)拓?fù)湫枰C合考慮穩(wěn)定性、故障穿越能力、斷路器與隔離開關(guān)數(shù)量以及成本等因素來決定。目前對(duì)于MTDC系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還沒有一套完整的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[7]介紹了幾種常見的MTDC連接方式，主要分為串聯(lián)型和并聯(lián)型。以四端系統(tǒng)為例，串聯(lián)型MTDC系統(tǒng)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(diào)節(jié)功率分配。該連接方式故障恢復(fù)速度慢，當(dāng)有新器件接入電路中時(shí)，對(duì)設(shè)備的絕緣和耐壓等級(jí)要求高，不利于電網(wǎng)拓展。因此，實(shí)際中應(yīng)用較少。并聯(lián)型MTDC系統(tǒng)各換流站的電壓等級(jí)相同，故障恢復(fù)快，有利于電網(wǎng)拓展，因此，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。而并聯(lián)型MTDC根據(jù)換流站之間的連線方式又可分為輻射型和環(huán)網(wǎng)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(diǎn)，形成分支結(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣泳€短，經(jīng)濟(jì)性好，適用于遠(yuǎn)距離輸電和海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)，缺點(diǎn)是當(dāng)電路中任意一條線路檢修或是發(fā)生故障退出時(shí)，至少有一個(gè)換流站停運(yùn)。環(huán)網(wǎng)型連接方式是利用輸電線路將系統(tǒng)中所有換流站連接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)一個(gè)換流站出現(xiàn)故障時(shí)，其他換流站利用各自的過負(fù)荷能力使系統(tǒng)繼續(xù)保持運(yùn)行，可靠性高，易于檢修，運(yùn)行方式靈活，而缺點(diǎn)是系統(tǒng)潮流易受運(yùn)行方式的影響，且系統(tǒng)控制復(fù)雜，直流線路投資成本高?；炻?lián)結(jié)構(gòu)則由串、并聯(lián)換流站結(jié)合組成，如圖1d所示，具有更高的靈活性。

圖1 MTDC系統(tǒng)主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topologies of MTDC

目前MTDC最典型的應(yīng)用是連接近海風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)。文獻(xiàn)[9，10]給出幾種常見的應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的MTDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的比較和分析，但未進(jìn)行深入研究。其中最常用的是星形拓?fù)浜铜h(huán)形拓?fù)?，還包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)?、星形和環(huán)形混合拓?fù)?、風(fēng)電場(chǎng)環(huán)形拓?fù)?、變電站環(huán)形拓?fù)湟约耙恍┢渌負(fù)?，其他拓?fù)涠际且愿嗟闹绷鲾嗦菲骱透鼜?fù)雜的電路，以及更高的成本來換取系統(tǒng)更高的靈活性，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。文獻(xiàn)[11]提出連接海上風(fēng)電場(chǎng)的串聯(lián)MTDC拓?fù)?，并提出了相?yīng)的控制策略，但出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響較大。

2 MTDC系統(tǒng)控制

由于MTDC系統(tǒng)控制中需協(xié)調(diào)控制多個(gè)換流站，對(duì)于串聯(lián)型MTDC系統(tǒng)，需保持各換流站直流電壓的平衡；對(duì)于并聯(lián)型MTDC系統(tǒng)，需保持各換流站直流電流的協(xié)調(diào)分配。選擇適合的運(yùn)行模式和控制方式是MTDC正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。MTDC的控制模式與換流器類型、系統(tǒng)規(guī)模、運(yùn)行要求等密切相關(guān)，并決定了MTDC的上層協(xié)調(diào)與上層控制器設(shè)計(jì)。

2.1 MTDC系統(tǒng)控制方式

目前，MTDC技術(shù)仍處于理論研究和工程試驗(yàn)階段。MTDC系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(diǎn)直流電壓控制方式和多點(diǎn)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(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

圖2 MTDC系統(tǒng)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(wěn)定性好較好較差較差系統(tǒng)功率平衡由主站和從站承擔(dān)由主站和預(yù)備主站承擔(dān)由多個(gè)換流站共同承擔(dān)由多個(gè)換流站共同承擔(dān)控制單個(gè)換流站功率可以準(zhǔn)確控制可以準(zhǔn)確控制難以準(zhǔn)確控制難以準(zhǔn)確控制是否依賴通信依賴不依賴不依賴不依賴控制器設(shè)計(jì)控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單需選擇合適的電壓裕度值電壓下降特性選取較為復(fù)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(wěn)態(tài)工作點(diǎn)A，B為穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)B，C為VSC1故障，后圖同此)，一般設(shè)定一個(gè)主換流站作為功率平衡節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)直流電壓的控制，其他換流站設(shè)定為定有功功率控制，一旦主換流站發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí)，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(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是對(duì)換流站間的通信要求較高，通信故障后系統(tǒng)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(kuò)展，相當(dāng)于一種改進(jìn)的具有多個(gè)可選擇功率平衡節(jié)點(diǎn)的定直流電壓控制，當(dāng)一端功率平衡節(jié)點(diǎn)故障或達(dá)到系統(tǒng)限制時(shí)，電壓調(diào)節(jié)控制由另一換流站接替，其工作特性曲線如圖4所示。文獻(xiàn)[13]首次提出電壓裕度控制并用于直流電網(wǎng)，該控制是定直流電壓和定有功/電流控制的結(jié)合，換流站正常運(yùn)行在定有功/電流控制下，當(dāng)直流電壓偏差達(dá)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(nèi)，防止直流電壓偏差進(jìn)一步增大，但該控制方法在主控制器切換時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)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(cè)量自身功率的大小，基于電壓下垂特性，將功率轉(zhuǎn)換為以輸出電壓為指令的控制信號(hào)，再根據(jù)調(diào)整后的功率反作用于輸出電壓信號(hào)，達(dá)到自我調(diào)節(jié)、自動(dòng)分配功率的目的。系統(tǒng)中各個(gè)換流站共同承擔(dān)功率平衡，通過調(diào)節(jié)直流電壓來控制功率的大小。因?yàn)橄麓箍刂浦卸鄠€(gè)換流站共同參與功率的平衡和直流電壓的調(diào)節(jié)，因此，其相對(duì)于主從控制具有更高的可靠性，且不會(huì)造成電壓振蕩。文獻(xiàn)[14]提出一種基于直流電壓-有功調(diào)節(jié)特性的控制策略，在系統(tǒng)負(fù)荷突變或任一換流站故障退出后，具備功率調(diào)節(jié)能力的換流站自動(dòng)完成功率的重新分配，擾動(dòng)發(fā)生后各換流站均能穩(wěn)定運(yùn)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(jié)合了電壓裕度控制和下垂控制的優(yōu)點(diǎn)，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(xiàn)[15]詳細(xì)介紹了多階混合控制，文獻(xiàn)[16]提出含死區(qū)的下垂控制，該控制類似于電壓裕度控制，換流站正常運(yùn)行在定有功/電流控制下，當(dāng)直流電壓偏差達(dá)到電壓裕度限制值后，換流站切換為下垂控制。文獻(xiàn)[17]提出一種改進(jìn)的電壓-功率下垂控制，在下垂控制中增加兩條線段，同時(shí)在有功和直流電壓控制的切換過程中加入滯環(huán)控制，避免模式之間的頻繁切換。文獻(xiàn)[18]提出一種基于功率控制與直流電壓控制之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換的MTDC系統(tǒng)控制模式。文獻(xiàn)[19]提出適用于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的基于直流電壓偏差控制的多點(diǎn)直流電壓控制方式，該控制方式無需通信、簡(jiǎn)單可靠，能保證定直流電壓控制的換流站故障退出后，系統(tǒng)能繼續(xù)維持有功的平衡和直流電壓的穩(wěn)定，確保風(fēng)電場(chǎng)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(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制

直流網(wǎng)絡(luò)中直流電壓的穩(wěn)定相當(dāng)于交流網(wǎng)絡(luò)中頻率的穩(wěn)定，在缺乏定直流電壓控制的MTDC系統(tǒng)中，直流過電壓將嚴(yán)重影響換流站，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)直流保護(hù)電路誤動(dòng)作。然而，直流電壓的控制與交流系統(tǒng)中頻率的控制又有所區(qū)別。一方面，由于直流系統(tǒng)中沒有大的儲(chǔ)能系統(tǒng)，不具備交流系統(tǒng)所具備的旋轉(zhuǎn)慣性，系統(tǒng)中任何擾動(dòng)將影響直流電壓變化；另一方面，由于線路電阻導(dǎo)致直流電壓產(chǎn)生壓降，直流電壓的檢測(cè)信號(hào)無法作為系統(tǒng)中的全局控制信號(hào)。為了解決該問題，文獻(xiàn)[20]提出采用公共電壓信號(hào)或者標(biāo)準(zhǔn)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(hào)。文獻(xiàn)[21]提出一種MTDC二級(jí)控制方法，即時(shí)更新直流電壓參考值，避免由線路阻抗產(chǎn)生的壓降所引起的換流站電壓不同導(dǎo)致?lián)Q流站出現(xiàn)功率偏差。

MTDC系統(tǒng)采用下垂控制有助于對(duì)各個(gè)換流站之間的協(xié)調(diào)控制，但下垂控制無法控制整個(gè)有功潮流，因此，傳統(tǒng)的電壓下垂控制無法實(shí)現(xiàn)定直流電壓[22]，難以實(shí)現(xiàn)功率分配和電壓波動(dòng)之間的權(quán)衡。針對(duì)此，文獻(xiàn)[23]提出了一種改進(jìn)的下垂控制策略，該策略結(jié)合了定直流電壓和下垂控制的優(yōu)點(diǎn)，但未考慮換流站過載或故障引起直流電壓偏差過大時(shí)，系統(tǒng)之間的功率協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[24]提出一種四端直流輸電系統(tǒng)功率分配的設(shè)計(jì)方法，給出不同電壓控制方法和功率調(diào)度策略以滿足不同的電力需求。文獻(xiàn)[25]討論了下垂電壓控制與直流電壓壓降之間的關(guān)系，研究了換流站故障后電壓偏差與功率分配之間的關(guān)系，但僅限于故障情況。

傳統(tǒng)下垂控制都是嚴(yán)格按照事先設(shè)定好的下垂曲線來調(diào)節(jié)換流站的功率變化，無法靈活應(yīng)對(duì)不同的條件變化，下垂系數(shù)固定，未考慮實(shí)際負(fù)載情況和換流站承擔(dān)功率的動(dòng)態(tài)裕量。有學(xué)者提出適用于功率分配的自適應(yīng)下垂控制方法，文獻(xiàn)[26]將一臺(tái)逆變器設(shè)定為基準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行傳統(tǒng)的下垂控制，通過基準(zhǔn)逆變器和其他逆變器的功率之差自適應(yīng)調(diào)節(jié)各個(gè)逆變器的下垂系數(shù)，但各個(gè)逆變器之間需要通信。文獻(xiàn)[27]考慮了換流站可能的動(dòng)態(tài)裕量，避免了換流站過載，但下垂系數(shù)計(jì)算復(fù)雜，響應(yīng)速度慢。

MTDC系統(tǒng)下垂控制中，下垂系數(shù)的選取將影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行特性。文獻(xiàn)[28]對(duì)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(shù)的改變對(duì)電壓偏差的影響。文獻(xiàn)[29]指出，在忽略直流線路電阻的影響下，MTDC系統(tǒng)中直流下垂系數(shù)越小，直流線電壓下降引起的直流網(wǎng)側(cè)功率分配的偏差越大。在相同的電壓等級(jí)下，合理的下垂系數(shù)可以減小系統(tǒng)的總損耗。為了使MTDC系統(tǒng)損耗最小化，文獻(xiàn)[30]提出一種循環(huán)下垂控制方法，但該方法僅適用于連接風(fēng)電場(chǎng)的環(huán)形多端拓?fù)?。由于下垂控制高度依賴MTDC系統(tǒng)拓?fù)浼半娎|參數(shù)，文獻(xiàn)[31]基于多端系統(tǒng)建模和頻率響應(yīng)繪制提出了下垂系數(shù)設(shè)計(jì)方法，以減小系統(tǒng)額定誤差。文獻(xiàn)[32]針對(duì)不同的換流器故障時(shí)的功率分配提出了下垂系數(shù)的選取方法。文獻(xiàn)[33]基于混合敏感準(zhǔn)則提出一種下垂系數(shù)的計(jì)算方法，但都未考慮不同應(yīng)用場(chǎng)合下的有功潮流的最優(yōu)化。

2.3 含風(fēng)電場(chǎng)MTDC系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

一方面，由于直流輸電對(duì)海上和陸上電網(wǎng)進(jìn)行了解耦，導(dǎo)致海上風(fēng)電場(chǎng)慣性減小，且隨著風(fēng)電場(chǎng)容量增加，系統(tǒng)的慣量越小，在系統(tǒng)負(fù)荷變化或故障情況下，系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的頻率偏移，嚴(yán)重影響直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另一方面，由于風(fēng)電的不確定性，直接接入電網(wǎng)必然會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，需要完善含風(fēng)電場(chǎng)的MTDC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，提高風(fēng)電利用效率。

文獻(xiàn)[34]討論了風(fēng)電不確定性對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響，包括電網(wǎng)頻率、電壓、電能質(zhì)量和暫態(tài)穩(wěn)定性等，提出通過提高風(fēng)電場(chǎng)的可控性和調(diào)度性來減少風(fēng)電場(chǎng)不確定性對(duì)電力系統(tǒng)的影響。為了減少交流系統(tǒng)中的頻率偏移，文獻(xiàn)[35]提出一種基于當(dāng)?shù)刂绷麟妷?頻率下垂控制的頻率支撐策略，但該控制策略未考慮非對(duì)稱雙極結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[36]分析討論了含有金屬回路的非對(duì)稱雙極MTDC結(jié)構(gòu)交流系統(tǒng)的頻率支撐，但忽略了交流側(cè)鎖相環(huán)對(duì)系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[37，38]分析了MTDC中風(fēng)電場(chǎng)側(cè)電壓-電流的特性，并針對(duì)VSC在正常和故障條件下的電壓-電流特性設(shè)計(jì)了一種控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[39]基于VSC電壓-電流特性和故障時(shí)減少功率注入的思想，提出大規(guī)模海上供電的協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[40]提出一種直流電壓優(yōu)化控制方法，通過檢測(cè)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(chǎng)合，不同控制模式之間的頻繁切換將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了提高風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[41]提出一種改善電壓穩(wěn)定性的風(fēng)電場(chǎng)無功和電壓協(xié)調(diào)控制方法。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)采用下垂控制減小功率控制，同時(shí)引入風(fēng)電場(chǎng)頻率為控制信號(hào)，自主調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)功率，從而保持直流電壓穩(wěn)定，避免換流站之間通信。

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)而言，其本身相當(dāng)于一個(gè)存在多源接入的低壓配電網(wǎng)，因此風(fēng)電場(chǎng)的有功/無功控制既有局部性也有全局性，必須將兩者協(xié)調(diào)統(tǒng)一才能達(dá)到較理想的控制效果。然而，目前研究通常將風(fēng)電場(chǎng)的有功和無功分別獨(dú)立控制[42]。風(fēng)電場(chǎng)的有功控制一般分為兩種：一種是將風(fēng)電場(chǎng)等值為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，通過最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制、隨機(jī)最優(yōu)控制等方式[43]，模擬風(fēng)電場(chǎng)的有功控制；另一種是考慮單機(jī)控制特性的風(fēng)場(chǎng)內(nèi)多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組之間的協(xié)調(diào)控制[44]。由于風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出和風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速關(guān)系極為密切，可控性較弱。因此，風(fēng)電并網(wǎng)的研究更多集中在無功/電壓控制。文獻(xiàn)[45]提出一種基于預(yù)測(cè)控制弱化風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)的無功電壓協(xié)調(diào)控制方法，但該方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的模型要求較高。文獻(xiàn)[46]根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)局部區(qū)域某節(jié)點(diǎn)電壓與參考值的偏差得到整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的無功需求，并按等功率因數(shù)算法分配給各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。文獻(xiàn)[47]提出按風(fēng)電場(chǎng)容量、系統(tǒng)潮流和損耗3種不同的方式分配無功，但未詳細(xì)對(duì)比3種方式的適用場(chǎng)合。文獻(xiàn)[48]提出一種風(fēng)電場(chǎng)面向接入點(diǎn)電壓控制的協(xié)調(diào)控制策略，基于風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的優(yōu)化預(yù)先進(jìn)行電容器組投切控制，并將風(fēng)機(jī)按剩余的無功裕度比例調(diào)節(jié)各臺(tái)機(jī)組的無功輸出。文獻(xiàn)[49]提出了風(fēng)電場(chǎng)群的無功電壓協(xié)調(diào)控制思路，以風(fēng)電場(chǎng)群的匯集站為電壓中樞點(diǎn)，以各風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器的高壓側(cè)電壓為約束，協(xié)調(diào)控制各風(fēng)電場(chǎng)的無功調(diào)節(jié)裝置動(dòng)作。

2.4 多端直流輸電系統(tǒng)最優(yōu)潮流控制

最優(yōu)功率潮流(Optimal Power Flow，OPF)計(jì)算作為一個(gè)重要的規(guī)劃工具在交流系統(tǒng)中已被廣泛使用。在MTDC系統(tǒng)中，OPF也被作為一項(xiàng)重要指標(biāo)受到廣大學(xué)者的重視。隨著MTDC系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，約束條件增多，OPF的計(jì)算仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[50]提出了VSC-HVDC的最優(yōu)功率潮流模型，但僅限于兩端直流輸電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[51]討論了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)最優(yōu)潮流，并通過暫態(tài)仿真分析了四種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AC/DC直流網(wǎng)絡(luò)，但該方法不具有通用性。

為了減小MTDC系統(tǒng)中器件損耗和傳輸損耗，文獻(xiàn)[52]針對(duì)VSC-MTDC的OPF進(jìn)行了成本效益分析。文獻(xiàn)[29]研究了線路電阻對(duì)MTDC有功潮流的影響，指出線路阻抗上的壓降影響系統(tǒng)功率分配，但未提出解決方法。文獻(xiàn)[53]通過計(jì)算系統(tǒng)功率損耗，研究了MTDC功率的準(zhǔn)確控制。文獻(xiàn)[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(yōu)化了直流側(cè)而未考慮交流側(cè)。文獻(xiàn)[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(wǎng)絡(luò)的OPF，以減小系統(tǒng)的傳輸損耗。文獻(xiàn)[57]提出了一種連接大型海上風(fēng)電場(chǎng)的MTDC最優(yōu)潮流方法，計(jì)算出最優(yōu)電壓并通過通信傳遞給各個(gè)VSC。

任何MTDC系統(tǒng)都需要滿足N-1安全準(zhǔn)則，即任一換流站退出都不影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，MTDC系統(tǒng)的安全性約束最優(yōu)有功潮流(Security Constrained Optimal Power Flow，SC-OPF)成為一個(gè)研究挑戰(zhàn)。SC-OPF的目的是在一定的約束條件下，需要同時(shí)滿足穩(wěn)態(tài)條件以及故障條件下MTDC系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文獻(xiàn)[58]基于線性近似提出SC-OPF控制方法，同時(shí)考慮了HVDC的準(zhǔn)確控制。文獻(xiàn)[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(jù)是否含有N-1故障條件進(jìn)行了比較，但該控制僅考慮了直流網(wǎng)絡(luò)而忽略了交流網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[60]提出一種改進(jìn)的含校正的SC-OPF方法，該方法考慮了MTDC系統(tǒng)交直流側(cè)N-1故障時(shí)的安全約束條件。

3 MTDC故障分析及保護(hù)控制

MTDC系統(tǒng)的故障分析和保護(hù)控制仍是其發(fā)展的一個(gè)障礙，其中首要解決的是直流換流站故障后的啟停技術(shù)。需要通過對(duì)故障情況的綜合分析，并對(duì)故障信息進(jìn)行快速、準(zhǔn)確檢測(cè)，而后做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。

3.1 MTDC故障分析

在系統(tǒng)故障情況下，快速準(zhǔn)確地獲取故障后信息并對(duì)故障進(jìn)行定位，是采取合理控制策略的關(guān)鍵。按照故障的位置，換流站故障可以分為直流側(cè)故障和交流側(cè)故障兩大類。直流側(cè)故障包括直流側(cè)輸電網(wǎng)故障和MTDC系統(tǒng)中換流站故障，典型的故障現(xiàn)象為直流母線電壓波動(dòng)。交流側(cè)故障則包括交流電網(wǎng)或風(fēng)電場(chǎng)側(cè)發(fā)生短路等，典型故障現(xiàn)象為交流側(cè)電壓出現(xiàn)幅值和相角突變以及三相不平衡等。文獻(xiàn)[61]根據(jù)暫態(tài)電流的特征對(duì)MTDC直流傳輸線路故障進(jìn)行定位，但該方法對(duì)MTDC保護(hù)系統(tǒng)要求較高。文獻(xiàn)[62]提出兩種故障識(shí)別方式，一種是設(shè)定電流上升和電壓下降的區(qū)間，通過判斷系統(tǒng)是否超過限定值來檢測(cè)故障，但只能區(qū)分交流故障和直流故障；另一種是通過比較各個(gè)換流器故障電流的增長(zhǎng)速度來判斷。

直流故障下系統(tǒng)的運(yùn)行能力是評(píng)估直流輸電系統(tǒng)的重要指標(biāo)[8]。對(duì)直流側(cè)故障的研究重點(diǎn)在于無遠(yuǎn)端通信條件下如何對(duì)直流側(cè)故障的辨識(shí)和處理。直流輸電系統(tǒng)中直流故障電流會(huì)對(duì)器件造成沖擊，并且，直流側(cè)故障對(duì)連接交流系統(tǒng)而言相當(dāng)于三相短路故障，尤其對(duì)MTDC系統(tǒng)而言，直流側(cè)單點(diǎn)故障相當(dāng)于多點(diǎn)故障，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成很大的影響。根據(jù)電力電子設(shè)備的特點(diǎn)，為防止直流故障引起直流過壓造成設(shè)備損壞，直流側(cè)通常需設(shè)置放電或儲(chǔ)能單元。由于直流側(cè)沒有電流過零點(diǎn)，需要對(duì)應(yīng)的故障保護(hù)器件來快速中斷大電流。針對(duì)直流側(cè)故障，可以將MTDC系統(tǒng)中換流站故障處理與MTDC系統(tǒng)拓?fù)湎嘟Y(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)制定相關(guān)策略。

在交流電壓故障情況下，并網(wǎng)電壓發(fā)生突變，系統(tǒng)需要快速準(zhǔn)確地檢測(cè)電網(wǎng)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(duì)稱故障情況下負(fù)序分量的產(chǎn)生，故障對(duì)換流站的危害程度等。

3.2 MTDC保護(hù)控制

對(duì)于VSC-MTDC，由于續(xù)流二極管的存在，系統(tǒng)發(fā)生直流故障時(shí)，即使封鎖開關(guān)管脈沖信號(hào)，直流電流仍會(huì)流入故障點(diǎn)，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(tǒng)重啟時(shí)，需要重新對(duì)電容充電，耗時(shí)較長(zhǎng)。針對(duì)此問題，文獻(xiàn)[57]提出采用MMC換流器拓?fù)鋵⒅绷鞴收想娏飨拗频揭粋€(gè)較低水平或者為零。然而，即使MMC具有故障容錯(cuò)能力，MTDC系統(tǒng)中仍需要直流CBs，將故障電路隔離，從而保證系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)系統(tǒng)中不含功率。文獻(xiàn)[63]提出一種直流故障控制方法，但該控制方法下，一旦出現(xiàn)故障，必須所有換流站同時(shí)退出，靈活性不高。

MTDC的保護(hù)系統(tǒng)不僅要保護(hù)系統(tǒng)中的元件，還需要維持故障以外的系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(tǒng)故障后快速恢復(fù)運(yùn)行。為了克服時(shí)間限制，文獻(xiàn)[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(tǒng)的故障電流的同時(shí)，一方面，降低了多端系統(tǒng)的剛度，影響了系統(tǒng)的潮流控制，需要在換流站控制器中加以補(bǔ)償，增加了換流站控制器的復(fù)雜度；另一方面，增大了系統(tǒng)的成本和體積。文獻(xiàn)[66]基于協(xié)方差適應(yīng)進(jìn)化策略提出一種限流電感設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，一方面在VSC輸出側(cè)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(tǒng)的可靠性，必須對(duì)故障線路和換流站進(jìn)行解耦，提高M(jìn)TDC故障穿越能力，文獻(xiàn)[67]提出一種利用換流站局部控制信號(hào)，減輕故障時(shí)有功注入交流網(wǎng)絡(luò)所造成的直流電壓上升，無需通信。

傳統(tǒng)的機(jī)械斷路器響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，且半導(dǎo)體開關(guān)所承受的電流應(yīng)力大。直流固態(tài)斷路器可以縮短中斷時(shí)間，但其成本較高，且由于主回路中存在半導(dǎo)體器件導(dǎo)致較大的通路損耗。文獻(xiàn)[68，69]對(duì)HVDC CBs進(jìn)行了綜述，討論了直流故障電流的研究進(jìn)展，研究了HVDC斷路器的設(shè)計(jì)，同時(shí)，對(duì)比分析了電流源型換流器(Current Source Converter，CSC)和VSC之間的差別。對(duì)于CSC-HVDC而言，功率容量大且系統(tǒng)損耗小，保護(hù)系統(tǒng)已較成熟，而缺點(diǎn)是交流側(cè)故障將導(dǎo)致?lián)Q相失敗，從而使直流電壓崩潰。相反，VSC-HVDC則對(duì)于直流側(cè)故障極其脆弱，任何地點(diǎn)發(fā)生直流故障將引起幅值極大的故障電流。系統(tǒng)故障時(shí)，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(tǒng)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(jià)格更昂貴。因此，文獻(xiàn)[70]提出使用換流站控制來中斷直流線路故障，假設(shè)系統(tǒng)發(fā)生非持續(xù)性故障，換流站和直流線路可重新上電，整個(gè)過程需要幾百毫秒到幾秒時(shí)間，適用于兩端直流輸電系統(tǒng)，但該方法只適用于CSC或者交流斷路器。文獻(xiàn)[68]提出切斷整個(gè)HVDC系統(tǒng)，但該方法只適用于小功率的三端或四端系統(tǒng)。文獻(xiàn)[71]對(duì)比分析了直流故障對(duì)不同的MTDC拓?fù)涞挠绊?，提出了直流故障保護(hù)策略，為了清除故障，基于故障時(shí)間和電流方向的故障檢測(cè)方法對(duì)比分析了4種不同的直流CBs技術(shù)，研究表明對(duì)稱單級(jí)拓?fù)湓诠收现兴艿挠绊懽钚　?/p>

4 結(jié)論

MTDC方式作為目前連接新能源，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)最有潛力的方式，是未來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。其系統(tǒng)控制和故障保護(hù)控制仍然是MTDC技術(shù)發(fā)展的兩大挑戰(zhàn)。

1)目前，MTDC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制為了避免高度依賴通信，在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，很難做到兼顧直流電壓穩(wěn)定和有功功率協(xié)調(diào)分配。因此，應(yīng)進(jìn)一步提高M(jìn)TDC系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)保證系統(tǒng)直流電壓穩(wěn)定的同時(shí)，合理分配系統(tǒng)功率，從而改善MTDC系統(tǒng)的穩(wěn)定性，逐步提高新能源在電網(wǎng)中的主動(dòng)調(diào)節(jié)能力。

2)針對(duì)MTDC系統(tǒng)所表現(xiàn)出的良好性能和應(yīng)用前景，基于MTDC的風(fēng)電場(chǎng)協(xié)調(diào)控制應(yīng)進(jìn)一步深入研究，以充分發(fā)揮風(fēng)場(chǎng)側(cè)的有功、無功控制能力，使風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間在一定目標(biāo)下實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)和互動(dòng)，合理分配和控制風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率、減小電壓波動(dòng)，以有效抑制風(fēng)電隨機(jī)性帶來的影響，改善新能源并網(wǎng)的穩(wěn)定性，提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)能的消納能力。

3)在未來MTDC發(fā)展階段，系統(tǒng)故障的檢測(cè)和保護(hù)控制技術(shù)仍然是MTDC系統(tǒng)的主要研究方向之一。隨著MTDC系統(tǒng)換流站個(gè)數(shù)增多，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更復(fù)雜，各個(gè)換流站之間的關(guān)系也更為密切，換流站故障的控制及保護(hù)關(guān)系到整個(gè)MTDC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)和提升直流斷路器技術(shù)以及換流站故障自清除能力，提高M(jìn)TDC系統(tǒng)的故障穿越能力。此外，還應(yīng)進(jìn)一步研究MTDC系統(tǒng)在故障清除后重新恢復(fù)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。

[1] 陳霞，林衛(wèi)星，孫海順，等.基于多端直流輸電的風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(7)：60-67. Chen Xia，Lin Weixing，Sun Haishun，et al.LCC-MTDC technology for wind farms integration[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(7)：60-67.

[2] Flourentzou，N，Agelidis，V G，Demetriades G D.VSC-based HVDC power transmission systems：an overview[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(3)：592-602.

[3] 宋強(qiáng)，趙彪，劉文華，等.智能直流配電網(wǎng)研究綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(25)：9-19. Song Qiang，Zhao Biao，Liu Wenhua，et al.An overview of research on smart DC distribution power network[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(25)：9-19.

[4] 文勁宇，陳霞，姚美齊，等.適用于海上風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)的混合多端直流輸電技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(2)：55-61. Wen Jinyu，Chen Xia，Yao Meiqi，et al.Offshore wind power integration using hybrid multi-terminal HVDC technology[J].Power System Protection and Control，2013，41(2)：55-61.

[5] 王錫凡，衛(wèi)曉輝，寧聯(lián)輝，等.海上風(fēng)電并網(wǎng)與輸送方案比較[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(31)：5459-5466. Wang Xifan，Wei Xiaohui，Ning Lianhui，et al.Integration techniques and transmission schemes for off-shore wind farms[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(31)：5459-5466.

[6] 溫家良，吳銳，彭暢，等.直流電網(wǎng)在中國的應(yīng)用前景分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(13)：7-12. Wen Jialiang，Wu Rui，Peng Chang，et al.Analysis of DC grid prospects in China[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(13)：7-12.

[7] 湯廣福，羅湘，魏曉光.多端直流輸電與直流電網(wǎng)技術(shù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(10)：8-17. Tang Guangfu，Luo Xiang，Wei Xiaoguang.Multi-terminal HVDC and DC-grid technology[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(10)：8-17.

[8] Gomis-Bellmunt O，Liang Jun，Ekanayake J，et al.Topologies of multiterminal HVDC-VSC transmission for large offshore wind farms[J].Electric Power Systems Research，2011，81(2)：271-281.

[9] 徐政，薛英林，張哲任.大容量架空線柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)及前景展望[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(29)：5051-5062. Xu Zheng，Xue Yinglin，Zhang Zheren.VSC-HVDC technology suitable for bulk power overhead line transmission[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(29)：5051-5062.

[10]傅曉帆，周克亮，程明.近海風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)用多端口VSC-HVDC系統(tǒng)的無差拍協(xié)同控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(7)：51-59. Fu Xiaofan，Zhou Keliang，Cheng Ming.Synergy deadbeat control scheme for multi-terminal VSC-HVDC systems for grid connection of off-Shore wind farms[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(7)：51-59.

[11]李響，韓民曉.海上風(fēng)電串聯(lián)多端VSC-HVDC協(xié)調(diào)控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(5)：42-48. Li Xiang，Han Minxiao.A coordinated control strategy of series multi-terminalVSC-HVDC for offshore wind farm[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(5)：42-48.

[12]Wang Wenyuan，Mike Barnes.Power flow algorithms for multi-terminal VSC-HVDC with droop control[J].IEEE Transactions on Power Systems，2014，29(4)：1721-1730.

[13]Nakajima T，Irokawa S.A control system for HVDC transmission by voltage sourced converters[C].IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，Alat，Edmonton，1999：1113-1119.

[14]阮思燁，李國杰，孫元章.多端電壓源型直流輸電系統(tǒng)的控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(12)：57-60. Ruan Siye，Li Guojie，Sun Yuanzhang.A control strategy for multi-infeed VSC-HVDC systems[J].Automation of Electric Power System，2009，33(12)：57-60.

[15]吳金龍，劉欣和，王先為，等.多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流電壓混合控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(6)：1593-1599. Wu Jinlong，Liu Xinhe，Wang Xianwei，et al.Research of DC voltage hybrid control strategy for VSC-MTDC system[J].Power System Technology，2015，39(6)：1593-1599.

[16]Dierckxsens C，Srivastava K，Reza M，et al.A distributed DC voltage control method for VSC MTDC systems[J].Electric Power Systems Research，2012，82(1)：54-58.

[17]任敬國，李可軍，劉合金，等.基于改進(jìn)定有功功率控制特性的VSC-MTDC系統(tǒng)仿真[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(15)：133-139. Ren Jingguo，Li Kejun，Liu Hejin，et al.Coordinated control strategy of VSC-MTDC system based on improved DC voltage-active power characteristic[J].Automation of Electric Power System，2013，37(15)：133-139.

[18]陳海榮，徐政.適用于VSC-MTDC系統(tǒng)的直流電壓控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(19)：28-33. Chen Hairong，Xu Zheng.A novel DC voltage control strategy for VSC based multi-terminal HVDC system[J].Automation of Electric Power System，2006，30(19)：28-33.

[19]石一輝，張毅威，閔勇，等.并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制研究綜述[J].中國電力，2010，43(6)：10-15. Shi Yihui，Zhang Yiwei，Min Yong，et al.Review on active power control researches of a grid-connected wind farm[J].Electric Power，2010，43(6)：10-15.

[20]Berggren B，Majumder R，Sao C，et al.Method andcontrol device for controlling power flow within a DC power transmission network：U.S.，WO2012000549A1[P].2013.

[21]Akhter F，Macpherson D E，Harrison G P.Enhanced multi-terminal HVDC grid management for reliable AC network integration[C].7th IET International Conference on Power Electronics，Machines and Drives，Manchester，2014：1-5.

[22]Kim J，Guerrero J M，Rodriguez P，et al.Mode adaptive droop control with virtual output impedances for an inverter-based flexible AC microgrid[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(3)：689-700.

[23]閻發(fā)友，湯廣福，賀之淵，等.基于MMC 的多端柔性直流輸電系統(tǒng)改進(jìn)下垂控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(3)：397-404. Yan Fayou，Tang Guangfu，He Zhiyuan，et al.An improved droop control strategy for MMC-based VSC-MTDC systems[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(3)：397-404.

[24]Abdel-Khalik A，Massoud A，Elserougi A，et al.Optimum power transmission-based droop control design for multi-terminal HVDC of offshore wind farms[J].IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(3)：3401-3409.

[25]Beerten J，Belmans R.Analysis of power sharing and voltage deviations in droop-controlled DC grids[J].IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(4)：4588-4597.

[26]孫孝峰，王娟，田艷軍，等.基于自調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的DG 逆變器控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(36)：71-78. Sun Xiaofeng，Wang Juan，Tian Yanjun，et al.Control of DG connected inverters based on self-adaptable adjustment of droop coefficient[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(36)：71-78.

[27]Chaudhuri N R，Chaudhuri B.Adaptive droop control for effective power sharing in multi-terminal DC(MTDC) grids[J].IEEE Transactions on Power systems，2013，28(1)：21-29.

[28]Zhao Xiaodong，Li Kang.Droop setting design for multi-terminal HVDC grids consideringvoltage deviation impacts[J].Electric Power Systems Research，2015，12(3)：67-75.

[29]Haileselassie T M，Uhlen K.Impact of DC line voltage drops on power flow of MTDC using droop control[J].IEEE Transactions on Power Systems，2012，27(3)：1441-1449.

[30]Yazdi S S H，F(xiàn)athi S H，F(xiàn)athi S H,et al.Optimal operation of multi terminal HVDC links connected to offshore wind farms[C].11th International Conference on Electrical Engineering/Electronics，Computer，Telecommunications and Information Technology(ECTI-CON)，Nakhon Ratchasima，2014：1-6.

[31]Prieto-Araujo E，Bianchi F D，Junyent-Ferré A，et al.Methodology for droop control dynamic analysis of multiterminal VSC-HVDC grids for offshore wind farms[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(4)：2476-2485.

[32]Beerten J，Eriksson R，Van Hertem D.A new approach to HVDC grid voltage control based on generalized state feedback[C].IEEE PES General Meeting Conference & Exposition，National Harbor，2014：1-5.

[33]EgeaAlvarez A，Bianchi F，Junyent Ferre A，et al.Voltage control of multiterminal VSC-HVDC transmission systems for offshore wind power plants：design and implementation in a scaled platform[J].IEEE Transactions on Industry Electronics，2013，60(6)：2381-2391.

[34]薛禹勝，雷興，薛峰，等.關(guān)于風(fēng)電不確定性對(duì)電力系統(tǒng)影響的評(píng)述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(29)：5029-5040. Xue Yusheng，Lei Xing，Xue Feng，et al.A review on impacts of wind power uncertainties on power systems[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(29)：5029-5040.

[35]Haileselassie T M，Uhlen K.Primary frequency control of remote grids connected by multi-terminal HVDC[C].IEEE Power and Energy Society General Meeting，Minneapolis，2010：1-6.

[36]Chaudhuri N R，Majumder R，Chaudhuri B.System frequency support through multi-terminal DC(MTDC) grids[J].IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(1)：347-356.

[37]Gomis-Bellmunt O，Liang Jun，Jenkins N.Voltage current characteristics of multiterminal HVDC-VSC for offshore wind farms[J].Electric Power Systems Research，2011，81(2)：440-450.

[38]Liang Jun，Gomis-Bellmunt O，Ekanayake J，et al.A multi-terminal HVDC transmission system for offshore wind farms with induction generators[J].Electric Power Energy Systems，2012，43(1)：54-62.

[39]王偉，石新春，付超，等.海上多端直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(1)：3610-3617. Wang Wei，Shi Xinchun，F(xiàn)u Chao，et al.Coordinated control of multi-terminal HVDC transmission system for offshore wind farms[J].Power System Technology，2014，38(1)：3610-3617.

[40]Lyu Jinli，Wang Yi，Ma Shang，et al.Coordinated control of VSC-based DC network for wind farm integration[C].17th International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS)，Hangzhou，2014：1368-1372.

[41]陳寧，朱凌志，王偉.改善接入地區(qū)電壓穩(wěn)定性的風(fēng)電場(chǎng)無功控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(10)：102-108. Chen Ning，Zhu Lingzhi，Wang Wei.Strategy for reactive power control of wind farm for improving voltage stability in wind power integrated region[J].Proceedings of the CSEE，2009，29(10)：102-108.

[42]Ullah N R，Thiringer T，Karlsson D.Temporary primary frequency control support by variable speed wind turbines-potential and applications[J].IEEE Transactions on Power Systems，2008，23(2)：601-602.

[43]曹軍，王虹富，邱家駒.變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(13)：78-82. Cao Jun，Wang Hongfu，Qu Jiaju.Frequency control strategy of variable-speed constant-frequency doubly-fed induction generator wind turbines[J].Automation of Electric Power System，2009，33(13)：78-82.

[44]王松巖，朱凌志，陳寧，等.基于分層原則的風(fēng)電場(chǎng)無功控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(13)：83-87. Wang Songyan，Zhu Lingzhi，Chen Ning，et al.A reactive power control strategy for wind farm based on hierarchical layered principle[J].Automation of Electric Power System，2009，33(13)：83-87.

[45]楊碩，王偉勝，劉純，等.計(jì)及風(fēng)電功率波動(dòng)影響的風(fēng)電場(chǎng)集群無功電壓協(xié)調(diào)控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(28)：4761-4769. Yang Shuo，Wang Weisheng，Liu Chun，et al.Coordinative strategy for reactive power and voltage control of wind farms cluster considering wind power sfluctuation[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(28)：4761-4769.

[46]朱凌志，陳寧，王偉.兼顧接入地區(qū)無功需求的風(fēng)電場(chǎng)無功控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(5)：80-84. Zhu Lingzhi，Chen Ning，Wang Wei.Wind farm reactive power control strategy considering local networks demand[J].Automation of Electric Power System，2009，33(5)：80-84.

[47]王琦，袁越，陳寧，等.多風(fēng)場(chǎng)接入局部電網(wǎng)的無功協(xié)調(diào)分配方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(24)：76-83. Wang Qi，Yuan Yue，Chen Ning，et al.The cooperating distribution methods of reactive power in multi-wind farms integrated region[J].Power System Protection and Control，2012，40(24)：76-83.

[48]楊樺，梁海峰，李庚銀.含雙饋感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)電壓協(xié)調(diào)控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，33(2)：121-126. Yang Hua，Liang Haifeng，Li Gengyin.A coordinated voltage control strategy for wind farm containing doubly fed induction generators[J].Power System Technology，2011，33(2)：121-126.

[49]陳惠粉，喬穎，魯宗相，等.風(fēng)電場(chǎng)群的無功電壓協(xié)調(diào)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(18)：78-82. Chen Huifen，Qiao Ying，Lu Zongxiang，et al.Study on reactive power and voltage coordinated control strategy of wind farm group[J].Automation of Electric Power System，2010，34(18)：78-82.

[50]Pizano Martinez A，F(xiàn)uerte Esquivel C R，Angeles Camacho C.Voltage source converter based high-voltage DC systemmodeling foroptimal power flow studies[J].Electric Power Components and Systems，2012，40(3)：312-320.

[51]Bucher M K，Wiget R，Andersson G，et al，Multiterminal HVDC networks—what is the preferred topology?[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2014，29(1)：406-413.

[52]Feng W，Tuan L A，Tjernberg L B，et al.A new approach for benefit evaluation of multiterminal VSC-HVDC using a proposed mixed AC/DC optimal power flow[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2014，29(1)：432-443.

[53]Beerten J，Cole S，Belmans R.A sequential AC/DC power flow algorithm for networks containing multi-terminal VSC HVDC systems[C].Proceedings of IEEE PES General Meeting，Minneapolis，2010：1-7.

[54]Abdel-Khalik A S，Massoud A M，Elserougi A A，et al.Optimum power transmission-based droop control design for multi-terminal HVDC of offshore wind farms[J].IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(3)：3401-3409.

[55]Rodrigues S，Pinto R T，Bauer P，et al.Optimal power flow control of VSC-based multiterminal DC network for offshore wind integration in north sea[J].IEEE Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2013，1(4)：260-268.

[56]Cao J，Du W，Wang H F.Minimization of transmission lossin meshed AC/DC grids with VSC-MTDC networks[J].IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(3)：3047-3055.

[57]Aragüés-Penalba M，Egea-Alvarez A，Gomis-Bellmunt O，et al.Optimum voltage control for loss minimization in HVDC multi-terminal transmission systems for large offshore wind farms[J].Electric Power Systems Research，2012，89(4)：54-63.

[58]Wiget R，Iggland E，Andersson G.Security constrained optimal power flow for HVAC and HVDC zgrids[C].Power Systems Computation Conference(PSCC)，Polamd，2014：1-7.

[59]Pinto R T，Bauer P，Rodrigues S F，et al.A novel distributed direct-voltage control strategy for grid integration of offshore wind energy systems through MTDC network[J].IEEE Transactions on Industry Electronics，2013，60(6)：2429-2441.

[60]Cao Jun，Du W，Wang H F.An improved corrective security constrained OPF for meshed AC/DC grids with multi-terminal VSC-HVDC[J].IEEE Transactions on Power Systems，2015，99：1-11.

[61]Cheng Jingzhou，Guan Minyuan，Tang Lv，et al.A fault location criterion for MTDC transmission lines using transient current characteristics[J].Electrical Power and Energy Systems，2014，61：647-655.

[62]Xu M M，Xiao L Y，Wang H F.The state of art for fault location in multi-terminal dc system[C].2nd IET Renewable Power Generation Conference(RPG)，Beijing，2013：1-4.

[63]Yousefpoor N，Sungmin K，Bhattacharya.Control of voltage source converter based multi-terminal DC grid under DC fault operating condition[C].Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE)，Pittsburgh，2014：5703-5708.

[64]Pinto R T，Rodrigues S F，Bauer P，et al.Comparison of direct voltage control methods of multi-terminal DC(MTDC) networks through modular dynamic models[C].Proceedings of the 14th European Conference on Power Electronics and Applications，Birmingham，2011：1-10.

[65]Descloux J，Raison B，Curis J B.Protection algorithm based on differential voltage measurementfor MTDC grids[C].12th IET International Conference on Developments in Power System Protection，Copenhagen，2014：1-5.

[66]Kontos E，Rodrigues S，Pinto R T，et al.Optimization of limiting reactors design for DC fault protection of multi-terminal HVDC networks[C].Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE)，Pittsburgh，2014：5347-5354.

[67]Moreira C L，Silva B.Operation and control of multiterminal HVDC grids for AC fault ride through compatibility[C].IEEE International Energy Conference(ENERGYCON)，Johor Bahru，2014：287-294.

[68]Tang L，Ooi B T.Locating and isolating DC faults in multi-terminal DC systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22(3)：1877-1884.

[69]Franck C M.HVDC Circuit Breakers：a review identifying future research needs[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2015，26(2)：998-1007.

[70]Li A，Cai Z，Sun Q，et al.Study on the dynamic performance characteristics of HVDC control and protections for the HVDC line fault[C].IEEE Power Energy Society General Meeting，Calgary，2009：1-5.

[71]Kontos E，Pinto R T，Rodrigues S，et al.Impact of HVDC transmission system topology on multiterminal DC network faults[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2015，30(2)：844-852.

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(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)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(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹岸喽酥绷鬏旊娂夹g(shù)。

劉瑜超 女，1989年生，博士研究生，研究方向?yàn)槎喽酥绷鬏旊娍刂啤?通信作者)