面向新型电力系统的混合直流输电系统换相失败抑制策略

摘要：随着新型电力系统的发展，混合直流输电系统在电力传输中扮演着愈发重要的角色。然而，换相失败问题成为制约其稳定运行的关键因素。本文深入分析了混合直流输电系统换相失败的成因，探讨了现有抑制策略的局限性，并提出了面向新型电力系统的创新抑制策略，旨在提升混合直流输电系统的运行稳定性与可靠性。

关键词：新型电力系统；混合直流输电系统；换相失败；抑制策略

引言

新型电力系统以清洁能源为主体，具有高比例可再生能源接入、高比例电力电子设备应用等特征。在这一背景下，混合直流输电系统凭借其兼具传统电网换相换流器（LCC）和电压源换流器（VSC）优势的特点，成为实现大规模清洁能源远距离输送的重要手段。然而，混合直流输电系统在运行过程中易出现换相失败问题，这不仅会影响电力传输的稳定性，还可能对电网的安全运行构成威胁。因此，研究面向新型电力系统的混合直流输电系统换相失败抑制策略具有重要的现实意义。

1混合直流输电系统换相失败成因分析

1.1LCC换流器特性

LCC换流器采用晶闸管作为换流元件，晶闸管为半控型器件，无法实现自关断，其换相过程依赖于交流系统提供的换相电压。当交流系统发生故障，如电压跌落、频率波动等，会导致换相电压不足，使得晶闸管在换相过程中无法正常关断，从而引发换相失败。此外，LCC换流器对交流系统的短路比要求较高，在弱交流系统下，其换相失败的风险显著增加。

1.2VSC换流器与LCC换流器的交互影响

在混合直流输电系统中，VSC换流器与LCC换流器通过直流线路相互连接，二者之间存在复杂的电气耦合关系。当系统发生故障时，VSC换流器的快速调节特性可能会对LCC换流器的换相过程产生干扰。例如，VSC换流器在故障期间的无功功率调节可能会引起交流系统电压的波动，进而影响LCC换流器的换相电压稳定性，增加换相失败的可能性。

1.3系统运行方式与控制策略

混合直流输电系统的运行方式多样，不同的运行方式下系统的动态特性存在差异。例如，在多端混合直流输电系统中，各端之间的功率分配和协调控制难度较大，若控制策略不合理，可能会导致系统在故障期间出现功率不平衡，进而引发换相失败。控制策略的参数设置不当也会影响系统的抗干扰能力，降低系统对换相失败的抵御能力。

2现有换相失败抑制策略的局限性

2.1基于无功补偿的策略

传统的基于无功补偿的换相失败抑制策略主要通过在交流系统侧安装无功补偿装置，如静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）等，来提高交流系统的电压稳定性，从而降低LCC换流器换相失败的风险。然而，这些无功补偿装置的响应速度有限，在快速变化的故障情况下，可能无法及时提供足够的无功支持，导致换相失败仍然发生。此外，无功补偿装置的投资成本较高，且占地面积较大，在一定程度上限制了其大规模应用。

2.2基于控制策略调整的策略

基于控制策略调整的换相失败抑制策略主要包括改进LCC换流器的控制策略和优化VSC换流器的协调控制策略。例如，通过引入动态触发角补偿、虚拟换相电压等控制方法，来提高LCC换流器的换相裕度，增强其对换相失败的抵御能力。然而，这些控制策略的实施往往需要复杂的算法和精确的参数设置，对控制系统的硬件和软件要求较高。此外，在多换流器协同控制的混合直流输电系统中，不同换流器之间的控制策略协调难度较大，若协调不当，可能会导致系统出现新的不稳定问题。

3面向新型电力系统的创新换相失败抑制策略

3.1基于多源信息融合的故障预测与预警策略

针对新型电力系统多源异构数据特征，该策略通过构建分层融合架构实现故障早期识别。首先采用时空对齐技术统一处理电气量（电压/电流相位、谐波分量）与非电气量（温湿度、风速、设备振动），利用小波包分解提取高频暂态特征；其次建立改进型D-S证据理论融合模型，解决多源信息冲突问题，通过动态权重分配机制提升关键参数（如关断角γ、直流电流变化率）的决策权重；最终结合LSTM-GRU混合神经网络构建故障预测模型，捕捉换相失败前兆特征（如交流电压畸变率突变、换相重叠角异常波动）。预警阶段引入模糊推理系统划分风险等级，通过自适应阈值触发分级响应——低风险时预调节换流变压器分接头，高风险时闭锁部分脉冲以降低故障冲击强度，形成“监测-分析-决策-执行”闭环控制链，将传统被动保护转变为主动防御体系。

3.2基于智能算法的协调控制策略

该策略突破传统PID控制在强非线性系统中的局限，构建多目标优化控制框架。在算法层采用改进粒子群-遗传混合算法（PSO-GA），通过精英保留策略和自适应惯性权重解决早熟收敛问题，实现LCC触发角α与VSC调制比m的全局寻优；在控制层设计双层协调机制：上层基于深度强化学习（DRL）感知系统运行状态（如短路容量比SCR、直流功率裕度），动态生成各换流器参考值；下层采用分布式模型预测控制（DMPC）实现毫秒级跟踪调节。特别地，针对换相失败临界工况，建立换相电压时间面积（VCTSA）约束模型，通过智能算法实时计算最小关断角γ_min的安全边界，动态调整控制参数使系统始终运行于稳定域中心。

3.3基于储能技术的换相失败抑制策略

依托储能系统四象限调节特性构建电压支撑-功率缓冲双通道抑制机制。在拓扑层面，采用构网型储能变流器（GFM）与传统跟网型VSC并联运行，前者提供虚拟惯量和阻尼支撑，后者负责有功功率精确控制；在控制层面，设计三级响应策略：微秒级响应阶段通过超级电容/飞轮储能注入瞬时无功电流（遵循LVRT标准），抑制交流电压骤降；毫秒级阶段启动模型预测控制（MPC）优化储能出力轨迹，维持换相电压幅值高于临界值（0.85pu）；稳态阶段结合模型参考自适应控制（MRAC）平滑功率波动。创新性提出“储能-VSC-LCC”协同换相策略：当检测到交流电压畸变时，储能装置主动构建虚拟同步机特性，通过相位前移补偿换相电压过零点偏移。

结束语

面向新型电力系统的混合直流输电系统换相失败抑制策略是保障电力系统安全稳定运行的关键。本文分析了混合直流输电系统换相失败的成因，指出了现有抑制策略的局限性，并提出了基于多源信息融合的故障预测与预警策略、基于智能算法的协调控制策略以及基于储能技术的换相失败抑制策略等创新方法。这些策略充分利用了新型电力系统的技术优势，通过多学科交叉融合和智能化手段，提高了混合直流输电系统对换相失败的抵御能力，为新型电力系统的发展提供了有力的技术支持。

参考文献

[1]王鹤,郭家治,边竞,等.基于混合级联高压直流输电系统暂态建模的后续换相失败机理分析及抑制策略[J/OL].中国电机工程学报,1-19[2026-05-06].

[2]郑子萱,宋东徽,谢琦,等.送端交流故障下混联高压直流输电系统换相失败抑制策略[J/OL].中国电机工程学报,1-14[2026-05-06].

[3]陈仕龙,邓小伟,毕贵红,等.弱受端高压直流输电系统连续换相失败抑制策略[J].电机与控制学报,2025,29(06):141-152.

[4]赵静波,钟文梁,安海云,等.光伏接入下高压直流输电系统后续换相失败抑制策略研究[J].电力系统保护与控制,2025,53(09):38-48.

[5]周楠,张巍.抑制混合级联直流输电系统受端后续换相失败联合控制策略[J/OL].电源学报,1-14[2026-05-06].