《Electric Power Systems Research》：An optimization method for commutation failure mitigation under asymmetric faults in LCC-HVDC
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LCC-HVDC系统在不对称故障下不同换流过程（CP）的换流失败（CF）风险差异显著，优化先进触发控制可提升CF抑制能力而不增加不必要的无功损耗，通过CIGRE模型和双入线HVDC模型仿真验证了该方法的有效性。
朱仁龙|陈绍伟|唐欣|史星宇|郭鹏|王文|郭志明|岳宇飞
中国湖南省长沙市长沙理工大学电气与信息工程学院，邮编410114
摘要
基于线式换流器的高压直流（LCC-HVDC）系统在交流故障下容易发生换流失败（CF），这对电网稳定性构成严重威胁。在非对称故障情况下，由于换流电压的显著差异，不同的换流过程（CP）面临不同的CF风险。本文分析了先进触发策略对换流过程及个别CP在非对称故障下的CF风险的影响，指出对于低风险CP而言，不使用先进触发策略而减少无功功率消耗的好处，超过了为确保成功换流而采用先进触发策略的好处。因此，本文提出了一种通过优化先进触发策略应用来提高抗CF能力的新方法。为了验证该方法的有效性，将其应用于直接和间接先进触发控制方法中。使用CIGRE基准模型和双馈入HVDC模型，在PSCAD/EMTDC中进行了仿真。波形结果和换流失败免疫指数（CFII）的综合结果表明，该方法在保持良好适用性的同时，有效减轻了CF问题。
引言
基于线式换流器的高压直流（LCC-HVDC）具有大功率传输能力、长传输距离和低运行成本等优点，在电网中发挥着关键作用[1]。然而，使用晶闸管作为开关元件时，在交流故障下可能会发生换流失败（CF），从而对电网的稳定运行构成威胁[2,3]。近年来，混合式AC/DC电网中“直流强、交流弱”的特性日益明显[4]，系统惯性逐渐减小[5]，这些因素进一步增加了CF的风险。
过去几十年中，人们对CF的机制和影响因素进行了深入研究。参考文献[6,7]全面分析了CF的机制，指出CF的主要因素是换流电压的幅度下降和相位偏移。参考文献[8,9]详细分析了故障时间对CF的影响，指出在单线接地（SLG）故障下，不同换流过程（CP）的换流电压存在显著差异。此外，提前触发角（FA）会增加逆变器的无功功率消耗，而过度的先进触发实际上会导致CF[10]。
目前，先进触发控制是一种广泛应用的有效的CF缓解方法。实际上，大多数CF缓解方法要么采用直接先进触发控制（如[11]中所述），要么采用间接先进触发控制（如[12,14]中提出的方法）。换流失败预防（CFPREV）响应迅速，能有效降低CF风险[11]。然而，这种方法缺乏参数调整和阈值选择的理论依据。参考文献[12]提出了一种基于预测计算的改进型熄灭角（EA）控制方法，通过考虑故障期间的直流电流波动提高了计算精度。但是，保守的换流持续时间选择会导致额外的无功功率消耗。参考文献[12,13]利用二阶泰勒级数展开来提高瞬态期间直流电流预测的精度。参考文献[14]通过简单测量估计电压-时间换流区域（VTA），可以部分缓解过度先进触发引起的无功功率消耗问题。然而，这种方法存在较大的估计误差，并且需要为每个换流阀计算相应的换流区域，涉及大量的物理测量和复杂的计算，给工程实施带来了挑战。
在非对称故障下，尤其是工程实践中最常见的SLG故障下，不同CP的换流电压存在显著差异。这一特性导致不同CP之间的CF风险不同，我们之前的研究[9]也显示了不同CP的CF情况存在显著差异。对于低风险CP而言，不使用先进触发策略而减少无功功率消耗的好处，超过了为确保成功换流而采用先进触发策略的好处。然而，现有的CF缓解方法并未充分考虑这一特性。大多数方法不加区分地对所有CP应用先进触发策略。因此，本文进一步利用这一特性，提出了一种基于非对称故障下优化先进触发策略应用的CF缓解方法，旨在通过优化先进触发策略的应用来提高抗CF能力。本文分析了先进触发策略对换流的影响，并通过换流电压和仿真结果评估了不同CP在非对称故障下的CF风险。基于CF风险分析，我们检测并识别出需要向HVDC控制系统发送信号的CP。根据该信号，可以优化先进触发策略的应用，以避免不必要的无功功率消耗，从而提高非对称故障下的抗CF能力。为了验证该方法的有效性，将其应用于基于CIGRE基准模型和双馈入HVDC模型的直接和间接先进触发控制方法中。波形结果和换流失败免疫指数（CFII）的结果表明，该方法在保持良好适用性的同时，有效减轻了CF问题。
章节片段
换流失败机制
对于LCC-HVDC中使用的12脉冲换流器，一个周期内有12个换流过程（CP）。根据PSCAD/EMTDC中的CIGRE基准模型[15]，对应于换流电压EacD的换流过程定义为CP1。一个周期内的后续CP依次标记为CP2至CP12，详见附录表A1。由于换流器的对称性，CPi（i = 1, 2, …, 6）的换流电压的幅度和相位偏移与CPi+6相同。
电路图
换流失败缓解方法
前一节分析了不同CP在非对称故障下的CF风险。对于低风险CP而言，不使用先进触发策略而减少无功功率消耗的好处，超过了为确保成功换流而采用先进触发策略的好处。然而，现有的CF缓解方法不加区分地对所有CP应用先进触发策略，导致不必要的无功功率消耗和直流电流增加，进一步加剧了CF风险。
测试模型
为了验证所提出方法的有效性，使用基于PSCAD/EMTDC的CIGRE基准HVDC模型进行了大量仿真。仿真步长为10微秒。根据CIGRE模型，构建了两种控制方法：第一种是[11]中提出的CFPREV控制，第二种是基于预测计算的熄灭角控制（Control 2）。
结论
本文提出了一种先进的触发优化方法，用于进一步提高LCC-HVDC系统在非对称故障下的抗CF能力，该方法既适用于直接先进触发控制，也适用于间接先进触发控制。仿真结果表明，该方法不仅可以缓解CF，还可以提高系统的鲁棒性。
由于不同故障下换流电压的不对称程度不同，该方法在SLG故障下最为有效。
资助
本工作得到了高效高质电力转换国家重点实验室开放基金（项目编号：2024KF003）、国家自然科学基金（项目编号：52207186）以及湖南省研究生科学研究创新项目（项目编号：LXBZZ2024213）的支持。
CRediT作者贡献声明
朱仁龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法论，数据整理，概念构思。陈绍伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法论，数据整理，概念构思。唐欣：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，项目管理，形式分析。史星宇：验证，监督，方法论，形式分析，数据整理。郭鹏：
