02 大型交直流混联电网保护与控制 董新洲

需要仿真技术，揭示交直流混联大电网运行规律与特点； 机电暂态不能准确仿真； 电磁暂态仿真规模有限，不适于大电网。
大型交直流混联电网建模仿真面临的困难

多时间尺度、刚性特征突出 准确性、稳定性、效率无法保证
交直流混联系统的建 模和仿真技术
P-6
一、问题的提出
控制
国外：有含单条LCC的稳定控制； 无多目标协同控制； 国内：同国外。 国外：有直流暂态量保护、误动 无防连锁故障保护； 国内：暂态量保护深入、成熟； 开始防连锁故障保护研究。 国外：有多种模型与仿真方法，
课题牵头单位
西安交通大学是教育部直属重点大学，电气工程国家一级重点 学科。在电力系统规划、电力系统控制，特别在暂态保护研究领域 成果卓著。
P-16
课 题 4 交直流混联电网连锁故障预警与主动保护

研究目标 考核指标 研究内容及分工
揭示故障传播与演化机理 提出故障预警理论 提出防止连锁故障蔓延的主动保护方法
实施有效电网控制面临的困难

时空跨度大； 状态、目标、约束、存在交互影响； 不同控制间存在耦合、冲突的可能。
交直流混联系统大时空 尺度多维度耦合动力学 特性分析与控制
P-4
一、问题的提出
混联电网安全运行所面临的挑战一
需要有效、快速的电网控制方法

混联电网动力学特性由电源、 负荷、电网三者共同决定
大型交直流混联电网全电磁暂态建模与仿真 相互支撑验证
仿真算法 新理论新算法 课 题 模型拓展 1 大规模交直流混联电网全电磁暂态建模和仿真理论 大型交直流混联电网全电磁暂态仿真平台
关键技术：建模与仿真
P-13
课 题 1 大规模交直流混联电网全电磁暂态建模和仿真理论

研究目标 考核指标 研究内容及分工
• 边界特征 • 时频信息综合 • 交互影响及配合
主动保护装置研 制及其试验
快速保护装置研 制及其试验
P-11
四、技术路线
大型交直流混联电网全电磁暂态建模与仿真
模型拓展
传统设备模型选择 （发电机、线路） MMC详细建模与降阶 （详细 — 平均值模型） 新能源建模、聚类 （单体模型 — 聚类模型）
算法组合
1. 全电磁暂态仿真：24个换流站、5000节点以上 2. 混联电网协调控制方法与系统稳定控制方法：ms级响应速度 3. 直流线路超高速保护动作时间：ms级动作时间
P-8
三、研究内容
1

多换流站协 同控制技术
运行控制 稳定控制 恢复控制 含源特性
1. 多换流站快速潮流控制及其与交流电网协同控制方式 2. 考虑多回直流场景下系统稳定控制方法、恢复控制方法 3. 含高密度分布式发电交直流电网稳定分析与自愈控制方法 4. 高比例新能源发电次同步振荡机理（超指南） 5. 对所提方法进行验证
构建适合于交直流混联电网保护系统所面临的困难

故障特征在时、空域呈非线性分布； 快速控制改变交流设备的故障特征； 传统直流（LCC）、柔性直流（VSC） 线路故障特征迥异。
交直流混联系统非 线性时空分布特性 故障分析与保护
P-5
一、问题的提出
混联电网安全运行所面临的挑战三
传统建模仿真技术不能满足大型交直流混联电网仿真要求
汇报提纲
Outlines
一、问题的提出 二、预期目标与考核指标 三、研究内容 四、技术路线 五、进度安排 六、项目团队及研究基础 七、项目及课题负责人情况 八、预期成果与风险管控 九、经费预算
P-1
一、问题的提出

装机容量 15 亿千瓦 跨区输电2.1亿千瓦
电网 规模最大


23条直流线路
n d 21 J1 2 Pm1 Pe1 PDCi dt i 1
对电网传输功率 PDCi 进行控制； 直流系统在潮流转移中未发挥积极作用； 直流参与稳定控制作用有限； 强直弱交现象日渐突出，不控、失控的 后果严重。
n d 2 2 J 2 2 Pm2 Pe2 PDCi dt i 1

建立全电磁暂态降阶模型 提出全电磁暂态仿真方法 开发全电磁暂态仿真软件
仿真规模不少于24 座直流换流站、5000 个交流节点 研究内容 建模理论研究 仿真方法研究 承担单位 中国电力科学研究院、全球能源互 联网研究院、合肥工业大学 中国电力科学研究院、上海交通大 学、东北电力大学 中国电力科学研究院
P-9
精度vs规模
四、技术路线
交直流混联电网整体动力学特性
源 侧 网 侧
不确定性 聚合方法
大时空尺度 多维度耦合
荷 侧
含高密度分布 式发电配电网
新能源发电 次同步振荡
大型交直流混联电网
协同控制
快速潮流控制 换流站内控制
自组织特性与 外特性 支持主网稳定 控制 用作黑启动电 源 影响主网 支援主网
含直流的稳定性 方法及稳定判据 解列及恢复控制
多LCC\VSC换流器快 速仿真算法 换流器大电网联合仿真 （多速率仿真） 并行计算方法 （软件、硬件）
新理论新算法
时间尺度变换理论 （快信号 — 慢信号） 慢信号模型和大步长 仿真 结合传统小步长和变 换大步长多速率仿真
大型交直流混联电网全电磁暂态仿真软件
P-12
课题分解
交直流混联电网整体动力学特性 科学问题1：动力学特性与控制 故障电压电流 科学问题1 科学问题2：故障分析与保护 科学问题2 时域解析表达
2
故障特征演 化机理与保 护技术

1. 交/直流系统故障后电网故障特性及演化机理 2. 保护原理及交直流保护协调配合策略 3. 基于故障传播过程的预警和主动保护理论、方法和验证
设备保护 主动保护
3
全电磁暂态 建模仿真

1. 多换流站之间及其与互联交流电网动态作用机理 2. 交直流混联电网多时间尺度建模、仿真方法及验证
主动保护及预警 研究内容 故障传播及演化 连锁故障预警及抑制 主动保护研究 广域保护系统研究 清华大学 华北电力大学，中国电力科学 研究院 重庆大学 华北电力大学，华中科技大学 承担单位
实施有效电网控制面临的困难

时空跨度大； 状态、目标、约束、存在交互影响； 不同控制间存在耦合、冲突的可能。
交直流混联系统大时空 尺度多维度耦合动力学 特性分析与控制
P-4
一、问题的提出
混联电网安全运行所面临的挑战二
混联电网故障特性变化冲击了继电保护的构成基础

故障不可避免，保护不可或缺； 拓扑和电源结构变化，故障分析方法和电气量不同于传统电网； 交流逆功率保护、直流线路保护不正确动作； 连锁性故障频发。
保护
仿真
容量：1000节点8回直流 国内：无满足需要的全电磁暂态真 方法
P-7
二、研究目标与考核指标
提出 实现 形成 1. 交直流混联电网协同控制方式与系统稳定控制方法 2. 强适用性故障分析方法、快速保护及主动保护方法 多时间尺度全电磁暂态仿真 大型交直流混联电网安全运行的理论支撑体系
研究目标 考核指标
2、脆弱性

电力电子器件抗过流能力差，易换相失败
甚至多回直流同时换相失败、多回闭锁并影响送端电网； 造成大面积潮流转移和电压波动，导致电网振荡解列。
P-3
一、问题的提出
混联电网安全运行所面临的挑战一
需要有效、快速的电网控制方法

混联电网动力学特性由电源、 负荷、电网三者共同决定
d 2 J 2 = Pm - Pe dt
P-15
课 题 3 大型交直流混联电网故障特性分析与保护

研究目标 考核指标 研究内容及分工

提出交直流混联电网故障分析理论与故障特性分析方法 构筑交直流混联电网继电保护理论体系
动作时间2~3ms，并结合张北柔直工程进行验证 研究内容 故障分析方法 复故障逆变侧交流保护 换流站设备保护 超高速直流线路保护 山东大学 西南交通大学 西安交通大学，许继集团 承担单位 天津大学、西安交通大学
含高密度分布式 电源的配电网
新能源发电
大型交直流混联电网
源荷 配电网的自组织 影响 含高密度新能 特性与外特性
课题5
课题2
源发电的电网 支持主网稳定控 源荷端动态响 制 应与自愈控制
用作黑启动电源
快速潮流控制 多换流站与交 直流混联电网 影响主网 含直流的稳定性 稳定控制理论 分析及稳定判据 支持主网 与技术 解列及恢复控制
P-10
四、技术路线
wk.baidu.com• •
拓扑改变 电源变化
故障电压电流时 域解析表达
• •
等效建模 场、路；行波、暂态
• 连锁事件
时间、空间
故障传播过程 再扰动
故障设备和非故障设 备故障特性分析
• 快速控制参与 • 故障特征快速改变
• 连锁故障条件 • 分区信息关联 • 在线增容技术
连锁故障预警 主动保护
直流线路保护 交流线路保护
协同控制达到ms级响应速度并结合张北柔直工程进行验证 研究内容 换流站控制 直流参与运行控制 直流参与稳定控制 自适应解列控制 承担单位 中国电科院、南瑞集团 华北电力大学、东北电力大学 中国电科院、华北电力大学 清华大学、南瑞集团
课题牵头单位
清华大学是教育部直属重点大学，电气工程国家一级重点学科。 在电力系统稳定控制理论、柔直输电技术、调度自动化技术、行波 保护等领域居国际领先地位。
直流 占比最高
直流占比已达34% 2020年新增16条、柔直
大型交直流 混联电网
电压 等级最高

交流 1000千伏 直流±800千伏

达到2亿千瓦
新能源 发电最多
P-2
一、问题的提出
大型交直流混联电网的主要特性
1、可控性

直流传输功率可控
电 源
PAC1 PDC2 PDC3 PAC4
负 荷
正确的控制有助于功率平衡、保持电网结构完整； 不正确的控制会导致线路过载、传输功率中断，破坏系统稳定性。
d 2 J 2 = Pm - Pe dt
n d 21 J1 2 Pm1 Pe1 Pi dt i 1
直流系统在潮流转移中未发挥积极作用； 直流参与稳定控制作用有限； 强直弱交现象日渐突出，不控、失控的 后果严重。
n d 2 2 J 2 2 Pm2 Pe2 PDCi dt i 1
交互 作用
直 流 站 内 控 制
课题4
故障传播过程 再扰动 故障
传播
课题3
故障设备和非故障 设备故障特性分析
交直流混联电 连锁故障预警 主动保护 网连锁故障预 警与主动保护
主动保护装置研制 及其试验
大型交直流混 直流线路保护 交流线路保护 联电网故障特 性分析与保护
快速保护装置研制 及其试验
关键技术：
课题牵头单位
软件架构及开发
中国电力科学研究院是国网公司直属科研单位，中国电力行业 多学科、综合性的科研机构。在电力系统仿真、控制、配电网规划 运行等领域实力雄厚。
P-14
课 题 2 多换流站与交直流混联电网稳定控制理论与技术

研究目标 考核指标 研究内容及分工

揭示交直流混联电网交互机理 提出换流站协同控制与恢复控制方法 提出交直流混联电网稳定分析方法及稳定控制策略
[1] S. Pirooz Azad, J. A. Taylor, R. Iravani. Decentralized Supplementary Control of Multiple LCC-HVDC Links. IEEE Transactions on Power Systems, 2016. [2] 郭小江, 马世英, 申洪等. 大规模风电直流外 送方案与系统稳定控制策略. 电力系统自动化, 2012. [1] G. Song, X. Chu, S. Gao, et al. A new wholeline quick-action protection principle for HVDC transmission lines using one-end current. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015. [2] 马静 , 王增平 . 基于广域测量系统的多端高压 输电区域后备保护方法, ZL 201010217048.X. [1] U. N. Gnanarathna, et al. Efficient modeling of modular multilevel HVDC converters on electromagnetic transient simulation programs. IEEE Transactions on Power Delivery, 2011. [2]刘文焯, 侯俊贤, 汤涌等. 考虑不对称故障的 机电暂态–电磁暂态混合仿真方法. 中国电机工 程学报, 2010.