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串联型混合直流输电系统运行特性的深度剖析与研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着经济的快速发展和能源需求的持续增长，能源分布与负荷中心不平衡的问题日益突出。在我国，80%以上的能源资源分布在西部和北部地区，而70%以上的电力消费集中在东部和中部地区。这种逆向分布的现状，使得远距离、大容量输电成为实现能源优化配置的必然选择。传统的交流输电在长距离输电过程中，存在线路损耗大、稳定性差等问题，难以满足大规模能源输送的需求。高压直流输电技术应运而生，以其高效能、低损耗、长距离传输能力强，尤其是在连接不同频率的交流电网或者跨越大型水体时更为优越等特点，在电力系统中得到了广泛应用。

目前，高压直流输电主要包括基于电网换相换流器（LineCommutatedConverter，LCC）的传统直流输电（LCC-HVDC）和基于电压源换流器（VoltageSourceConverter，VSC）的柔性直流输电（VSC-HVDC）。LCC-HVDC技术经过40多年的发展，已经非常成熟，广泛应用于远距离大容量输电、异步电网互联等场合。然而，LCC-HVDC存在逆变侧换相失败、无法对弱交流系统供电、无法实现无源运行以及运行过程中需要消耗大量无功功率等缺陷，在一定程度上制约了其进一步发展。VSC-HVDC可以实现四象限有功和无功功率的单独控制，换相时不需要交流系统进行支撑，且系统不存在换相失败问题。但其也存在额定电压和输送功率较低、穿越直流故障能力弱等不足。

为了克服LCC-HVDC和VSC-HVDC各自的缺点，充分发挥两者的优势，串联型混合直流输电系统应运而生。该系统结合了LCC-HVDC输送容量大、经济性好和VSC-HVDC能够独立控制有功和无功功率、换相无需交流系统支撑、不存在换相失败问题等优点，为高电压远距离输电提供了新的解决方案，在电力系统中具有重要的战略地位。

研究串联型混合直流输电系统的运行特性，对于深入了解其工作原理、优化系统设计、提高系统运行的可靠性和稳定性具有重要意义。通过对系统运行特性的研究，可以为系统的参数设计、控制策略制定提供理论依据，从而更好地实现能源的高效传输和分配，满足社会经济发展对电力的需求。此外，深入研究串联型混合直流输电系统的运行特性，还可以推动直流输电技术的进一步发展，为构建更加坚强、智能的电网奠定基础，对于保障国家能源安全、促进能源可持续发展具有深远的战略意义。

1.2国内外研究现状

在国际上，许多科研团队和学者对串联型混合直流输电系统运行特性开展了多方面研究。文献《SmallSignalModelandStabilityAnalysisforSeriesConnectedHybridHVDCSystem》基于高压侧电网换相换流器（LCC）和低压侧模块化多电平换流器（MMC）构成的串联型混合直流输电系统，建立了状态空间和小信号模型。通过梳理LCC和MMC交直流侧电气量和控制信号的传递关系，推导换流器之间、交流与直流系统之间的接口模型，构建了包含具有详细内部动态特性的LCC、MMC、直流输电线路和交流系统的小信号模型，并在PSCAD/EMTDC中与详细电磁暂态仿真进行动态性能对比，验证了小信号模型的准确性，基于此研究了受端交流系统强度对串联混合型直流输电系统小信号稳定性的影响。

在国内，华北电力大学的研究团队在串联型混合直流输电系统运行特性研究领域成果显著。在参数设计方面，针对MMC参数设计，分析其主要设备参数及其设计原则，根据参数间耦合关系，提出非线性规划设计方法，结合系统基本参数要求，完成MMC主设备参数计算。在损耗计算上，分别研究MMC和LCC的损耗问题，明确系统损耗构成及各部分损耗计算方法，依据系统结构特点算出系统损耗。在暂态特性分析中，利用PSCAD/EMTDC分析系统在交流故障和直流故障下的暂态特性，结果表明该串联型拓扑能较好抑制传统直流输电的换相失败问题，且具有良好的直流故障穿越能力。

尽管国内外在串联型混合直流输电系统运行特性研究上已取得一定成果，但仍存在不足。在模型建立方面，现有模型对一些复杂工况和特殊元件特性的考虑还不够全面，例如在极端天气条件下线路参数变化对系统运行特性的影响未深入分析；在控制策略上，目前的策略在应对系统快速变化和多重故障时的鲁棒性和灵活性有待提高，难以实现系统全方位的最优运行；在实验验证环节，由于实际系统建设成本高、周期长，大部分研究基于仿真实验，缺乏大规模实际工程验证，导致理论研究成果与实际应用存在一定差距。

本文将针对上述不足展开研究。在模型建立中，充分考虑各类复杂工况和特殊元件特性，完善系统模型；在控制策略制定上，致力于提高策略的鲁棒性和灵活性，以适应系