《Energies》：Geoscience–Engineering Integration for Fluid-Property Reclassification in Complex Reservoirs: Application to the Gas-Cap Reservoir in Gongshanmiao Block, Sichuan Basin
Kai Yu,
Qi Xu,
Michelle Tiong,
Benjian Zhang,
Yang Pan,
Yinhua Yu,
Chunduan Zhao,
Haitao Hong,
Qingsong Tang and
Chenggang Xian
+ 6 authors
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在柔性直流输电及交直流互联系统中，自适应换流站与线路换相换流器（Self-Adaption Station and Line Commutation Converter, SLCC）将静止无功补偿与传统晶闸管换流功能相结合。该拓扑结构可在阀侧实现动态无功功率支
在柔性直流输电及交直流互联系统中，自适应换流站与线路换相换流器（Self-Adaption Station and Line Commutation Converter, SLCC）将静止无功补偿与传统晶闸管换流功能相结合。该拓扑结构可在阀侧实现动态无功功率支撑，同时改善换相条件，从而增强直流系统的电压支撑能力与运行鲁棒性。在高比例可再生能源渗透背景下，功率波动与快速爬坡对主从控制的SLCC直流互联系统构成挑战，主站直流电压调节与容量裕度约束之间存在权衡：扰动引发的有功功率需求可能超出可用裕度，导致直流电压偏差扩大并增加保护跳闸风险。本文利用SLCC拓扑的有功/无功解耦特性，提出了一种考虑主站容量裕度的主从协调控制策略。方法层面，将容量裕度显式嵌入主站控制模式，通过重构直流电压外环关键变量并引入以"过容量功率"为反馈量的闭环抑制机制，使主站在维持连续电压调节的同时避免进入过容量运行区。在从站侧，设计了在功率平衡与设备容量约束下协调整合发电、储能与负荷的功率支撑机制，该协调过程被表述为平衡扰动经济损失与发电/储能利用率的多目标优化问题，采用NSGA-II算法求解。仿真结果表明，该策略有效抑制了主站过容量风险，增强了扰动条件下的功率共享协调能力，并改善了直流电压动态性能。
随着全球能源结构向更高比例可再生能源转型，电力系统的波动性显著增强，推动了大规模灵活输电技术的持续需求。高压直流（High Voltage Direct Current, HVDC）输电凭借其快速调节能力及有功与无功功率解耦控制特性，成为未来电力系统的关键技术支柱。在多种HVDC拓扑中，自适应换流站与线路换相换流器（Self-Adaption Station and Line Commutation Converter, SLCC）近年来受到关注，其通过在传统的线路换相换流器（Line-Commutated Converter, LCC）基础上引入级联H桥静止无功及滤波器（Static Var and Filter, SVF），实现了阀侧动态无功补偿与谐波抑制。
尽管碳化硅（SiC）等宽禁带器件在耐压能力与热性能方面具有优势，但其高昂的制造成本使得其在超高压输电项目中的大规模应用仍处于发展阶段。相比之下，基于硅的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）和晶闸管器件受益于成熟的供应链和稳定的成本，在HVDC及大容量输变电项目中积累了丰富的运行经验。因此，基于成熟器件的换流技术在当前工程实践中仍具有重要意义。与此同时，晶闸管技术并未停滞，高温、超高压SiC晶闸管的发展拓展了传统线路换流技术的运行边界，尽管其成本和长期可靠性仍需进一步工程验证。在此背景下，将成熟LCC技术与现代电力电子器件相结合的混合拓扑，代表了兼顾工程可行性与技术过渡意义的发展方向。
更重要的是，SLCC的核心使能组件并非晶闸管本身，而是SVF支路中采用IGBT实现的级联H桥多电平换流器。级联H桥换流器在多电平调制、谐波抑制及容错运行方面具有坚实的理论基础，已在静止无功补偿器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）和柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission Systems, FACTS）中得到广泛研究。通过将级联H桥SVF嵌入LCC-HVDC系统，SLCC在保持LCC输电大容量、低损耗特性的同时，从根本上改善了换相条件、降低了变压器电流应力并增强了故障穿越能力。该混合拓扑架起了传统HVDC技术与现代多电平换流器理论之间的桥梁，为大规模可再生能源并网提供了技术稳健且经济可行的解决方案，并已在扬州—镇江直流输电二期工程凌口受端站的首次工程示范中得到成功实施，验证了其工程 relevant性与产业潜力。
目前，多端直流系统主要采用主从控制架构。该架构在高功率扰动或可再生能源出力大幅波动时面临严峻的运行挑战：主换流站通常承担维持直流电压稳定的核心职责，当功率调节需求超出主站容量限值时，容易引发直流电压偏差的扩大，可能导致换流器闭锁停机，对整体系统的安全稳定构成严重威胁。因此，在受限的主站容量条件下维持电压调节能力，已成为该领域亟待解决的关键科学问题。相关研究表明，SLCC在高可再生能源渗透场景中较传统电网换相换流器（LCC）表现出更优的调节性能，有望缓解因主站容量不足导致的SLCC直流系统电压调节边界约束。然而，现有SLCC研究主要聚焦于拓扑机理、换相过程分析及局部控制策略设计，对于SLCC与SLCC直流系统主从控制架构之间耦合机制的系统探索仍然缺乏，特别是关于"如何利用SLCC在受限主站容量裕度下提升整体系统调节能力"这一关键问题，尚未形成统一的理论或技术共识。
现有文献提出了多种解决方案，但不同观点之间存在显著分歧。一派主张通过传统主从切换、下垂特性优化或二次调度控制机制来缓解功率不平衡；另一派建议安装额外的辅助设备（如耗能装置、动态无功补偿单元）来弥补换流站容量缺口。然而，这些方法要么存在控制延迟和切换振荡风险，要么设备投资成本高，且均未充分探索多源动态装置（如SLCC）与SLCC直流系统控制架构之间的协同控制潜力。因此，目前仍缺乏一种兼顾经济性与工程可行性的协调控制策略，以确保在主站容量约束下的系统稳定运行。
基于此，本文的核心研究目标为：在SLCC直流系统主站容量受限的约束下，如何充分挖掘SLCC的多源动态补偿潜力，建立一种稳定可靠、经济且工程可行的主从协调控制策略。为实现该目标，本文首先从工程应用角度分析了SLCC的动态响应特性及其在SLCC直流系统换流站中的适应性；其次，建立了考虑主站容量裕度的改进控制结构，并融入从站功率支撑策略；在此基础上，构建了多目标优化模型以实现系统经济性与设备损耗的协同优化。仿真结果表明，所提控制策略不仅有效缓解了主站过容量运行风险，还显著提升了直流电压稳定性和整体系统功率协调能力。
本研究采用的关键技术方法主要包括：基于戴维南等效变换的SLCC等效建模方法，用于分析含SVF支路的换相过程与电气量计算；主站容量裕度嵌入的电压外环重构技术，通过引入"过容量功率"作为反馈量的闭环抑制机制，实现主站在容量约束下的连续电压调节；从站发电-储能-负荷多源协调的功率支撑策略，该策略将协调过程表述为多目标优化问题，并采用第二代非支配排序遗传算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II, NSGA-II）进行求解；以及基于PLECS仿真平台的对称单极SLCC直流互联系统建模与多场景仿真验证方法，以扬州—镇江二期直流工程为算例进行参数配置和案例对比分析。
研究人员对SLCC拓扑结构及工作原理进行了详细阐述。SLCC拓扑在LCC-HVDC逆变侧的换流变压器与换流阀之间并联级联H桥SVF，每相SVF由N个全桥子模块串联组成。有功功率传输由LCC控制，SVF提供换流站运行所需的无功功率，并产生与谐波电流幅值相等、相位相反的补偿电流，确保逆变侧电网电流畸变率满足规定要求。SVF的引入消除了大型交流滤波场，使SLCC站总占地面积较传统LCC方案显著减小，达到了与电压源型换流器（Voltage Source Converter, VSC）技术相当的高紧凑度。SLCC稳态电路可等效为SVF电压源与交流系统电压源并联的结构，通过戴维南等效变换获得等效模型，等效电感L
eq小于原始电感L
S，从而减小换相重叠角μ
eq、加速换相过程。
研究人员进一步分析了SLCC的运行控制及工作模式。SLCC系统换流电路由换流变压器支路与SVF支路并联组成，两者共同连接至LCC换流阀。SLCC采用有功-无功解耦控制，LCC换流阀负责有功功率传输，SVF阀提供无功功率并实现滤波功能。SVF控制策略主要包括基波电流控制与谐波电流控制：直流站控系统下发无功功率指令，通过无功电流调节器调节基波无功电流以跟踪无功功率指令；基波有功电流由子模块电容电压控制器提供以补偿有功损耗，稳定子模块电容电压于额定值；基波电流控制器的输出与谐波电流控制器的输出叠加电压前馈，得到SVF阀电压指令。
SLCC直流互联系统换流站的工作模式可分为P-Q、U
dc-Q、P-V和下垂四种类型，本文重点关注P-Q和U
dc-Q两种模式。P-Q模式下，有功功率参考值P
ref和无功功率参考值Q
ref由换流站控系统提供；U
dc-Q模式下，换流站以U
dc-ref为参考值控制直流侧电压，采用电流内环和直流电压外环的双环控制结构。
在主站考虑容量裕度的运行模式方面，研究人员针对SLCC直流互联系统主从控制架构中主站易过载的问题，提出了一种新颖的主从控制策略。该方法将主站容量裕度纳入其运行模式，调整电压环结构，并基于过载功率增加闭环抑制机制，确保主站能够持续调节直流母线电压。在系统约束与主站基本控制策略方面，主从控制通常指定一个主站运行于U
dc-Q模式，其余从站作为P-Q模式下的从站运行。主站有功功率P
UdcQ与从站输出功率P
PQi满足功率平衡关系，且主站需满足容量约束。研究人员将容量裕度显式嵌入主站电压外环控制：在整流和逆变两种工况下，重新定义主站功率参考值P
UdcQ_ref，使电压外环输出变为系统总输出功率参考值P
out_ref。同时，通过设置功率参考系数λ
Udc（本文取95%）为主站预留5%的功率裕度，确保其始终具备直流母线电压调节能力。
研究人员定义"过容量功率"ΔP
UdcQ为超出主站容量裕度的功率部分，并通过符号函数sgn和阶跃函数ε构建其数学表达式。基于此，提出了以过容量功率闭环为核心的主站控制策略：将过容量功率闭环控制回路引入主站控制系统，通过比例积分（Proportional-Integral, PI）控制器将计算得到的过容量功率ΔP
UdcQ降至零，从而确保主站功率始终处于其容量裕度范围内。该策略中，电压外环生成系统输出功率参考值Pout_ref，据此计算主站功率参考值，经容量裕度约束后作为电流内环输入，完成主从控制。需特别注意的是，运行模式切换时不得添加功率参考限幅，否则将导致主站退化为恒功率模式运行，丧失直流母线电压控制能力。
在从站功率支撑策略方面，研究人员设计了考虑主站容量裕度的从站功率支撑机制。当意外工况导致个别从站产生超出原调度水平的增量功率，且调度机制无法即时调整时，主站输出功率可能超出其容量裕度，此时除按照容量裕度约束降低主站功率输出基线外，还需协调从站的发电、储能和负荷容量进行功率支撑。从站按运行模式可分为双向型和单向型：双向型从站连接大容量发电和储能资源，可向系统注入功率以分担主站功率需求；单向型从站则缺乏足够的发储容量。
研究人员将从站的功率支撑策略按主站运行模式分为两种情形。主站整流运行时，若从站发生负荷突增或可再生能源出力骤减等突发工况，导致相对于原调度计划出现功率缺额ΔPPQ_m，需快速调整从站发储设备功率指令或进行部分负荷削减，以协同主站功率支撑、迅速消除突发工况引起的功率缺额。基于功率守恒原理，主站过容量功率与从站发储荷设备功率变化需满足约束方程。优化目标为最小化突发工况下的经济损失，包括发电单位成本CGen_m(t)、储能单位成本CStore_m(t)、负荷单位收益CUser_m(t)及负荷削减直接经济损失CLost_m(t)，并引入安全指标系数ωm以优先保障负荷端供电安全。
在确保系统功率平衡与成本最小化后，还需最小化源储设备运行损耗，建立最小化源储损耗占比的目标函数f2(t)和最小化源储设备总损耗的目标函数f3(t)。综合功率平衡、换流站容量约束等条件，构建基于主站整流运行状态的多目标数学模型。
主站逆变运行时，若从站发生负荷突降或可再生能源出力骤增，系统产生超出原调度计划的冗余功率，需快速调整从站源储设备输出功率以支持主站。此时负荷端功率无需调整，成本最小化目标函数仅考虑源储设备成本，同时建立最小化储能损耗占比的f2(t)和最小化储能设备损耗的f3(t)。综合相应约束条件，构建基于主站逆变运行状态的多目标数学模型。
对于上述多目标模型，研究人员采用NSGA-II算法进行求解，以获得各从站源储荷设备在突发负荷条件下的最优功率变化指令，实现在确保主站功率不越限前提下的从站最优功率支撑。从站功率参考值PPQ_m_ref由原调度指令功率与优化得到的功率变化量叠加确定。
仿真验证部分，研究人员基于扬州—镇江二期直流工程数据，在PLECS中构建对称单极SLCC直流互联系统仿真模型，对所提方法与传统主站限容方法进行对比。仿真设置四个案例：案例一为传统主从控制不考虑主站容量裕度；案例二为考虑容量裕度但主站退化为恒功率模式；案例三为考虑容量裕度且主站恢复电压控制；案例四为不平衡及三相负荷变化验证。结果表明，传统控制下主站承担直流母线电压调节重任，接近额定容量运行，在负荷分配变化时直流电流幅值波动大，SVF电容电压波动幅值大，存在工程运行风险。所提策略在案例二中有效抑制了主站功率上升，避免过载运行，冗余从站及时吸收过剩功率参与功率平衡；在案例三中实现了系统运行模式的可逆平滑恢复，主站逐步恢复直流电压调节，功率重新分配连续无突变；在案例四中单相、两相0.6 p.u.电压跌落未引发换相失败，三相0.6 p.u.电压跌落时出现暂时换相失败但系统快速恢复稳定运行，验证了所提控制策略在非对称和对称电压扰动下的鲁棒性。
研究结论方面，本文针对SLCC直流互联系统在受主站容量裕度约束下的稳定运行问题，提出了考虑主站容量裕度的主从协调控制策略，并通过集成从站功率支撑机制与SLCC工程特性进行了系统分析和仿真验证。主要结论如下：传统主从控制下，负荷突增或可再生能源功率快速波动等扰动将主要调节负担转移至主站，易使其功率超出容量限值，削弱直流母线电压调节能力，扬州—镇江HVDC二期案例进一步表明，单纯的功率限制或调度调整无法在突发条件下同时保证稳定与运行连续性；所提容量裕度感知策略重新定义了直流电压外环控制变量并引入过容量功率闭环抑制机制，使主站在容量约束下维持有效的直流母线电压调节，相较于主站退化为恒功率运行，该策略更平滑地约束了主站功率，降低了过载风险并更好地保持了整体稳定性；基于容量裕度约束，研究人员发展了从站功率支撑策略，建立了主站整流和逆变两种运行状态下的多目标优化模型，协调从站发电、储能和负荷侧资源以缓解主站调节负担，在满足功率平衡和换流站容量约束的同时实现了经济性与设备损耗的实用权衡，扬州—镇江二期案例还表明SLCC提供了额外的无功功率支撑和运行灵活性，拓展了稳定运行边界并验证了工程可行性。总体而言，所提考虑主站容量裕度的主从协调控制框架增强了高可再生能源渗透下直流互联系统的运行鲁棒性和适应性，为确保新型电力系统下直流互联系统安全、稳定、经济运行提供了可行的技术路径。
