Coordinated Optimization of Grid-Forming Control in LCC-MMC Hybrid DC Transmission Systems Considering Virtual Power Angle Evolution Mechanism

想象一下，电网就像一片巨大的、无形的能量海洋，不断翻涌，为我们的灯光、手机和城市提供动力。在这片海洋中，有两种主要的“船只”在帮助保持水流平稳并朝着正确的方向流动。其中一些被称为“跟网型”（Grid-Following）的船，就像勤奋的划手，只是盯着灯塔（来自主网的信号）并与之保持完美的同步进行划行。当海洋平静时，它们表现出色；但如果风暴来袭，灯塔闪烁，它们就会迷失方向或陷入恐慌。而另一种被称为“构网型”（Grid-Forming）的船，则是舰队中的船长。它们不仅仅是跟随灯光，还会产生自己的节奏和电压，充当一个虚拟引擎，即使在风暴肆虐时也能帮助稳定整个海洋。随着我们在能源结构中加入更多具有不确定性的风能和太阳能，这一点变得至关重要。然而，这些“构网型”船长有一个棘手的秘密：当风暴变得过于猛烈时，它们有时会感到害怕，并切换到“电流源”模式——在这种模式下，它们停止转向控制，而只是拼命地推挤，这实际上可能会导致船只倾覆。

这篇论文正是在研究针对这种特定类型超高压输电线路（连接发送站与接收站）所面临的危险时刻。研究人员利用一个 ±800 kV 系统模型进行了研究，他们发现，当故障（如短路）发生在接收端时，“构网型”转换器可能会陷入一个危险的循环，即失去维持其与电网同步的角度控制。他们称这个角度为“虚拟功率角”，你可以把它理解为转向盘相对于风向的位置。如果这个角度摆动过大，船就会失控旋转。作者通过计算机仿真（具体使用了名为 PSCAD/EMTDC 的平台）证明，通过监测“剩余功率”（由于出口被风暴堵塞而堆积的额外能量），我们可以动态地告诉船长减速，速度要恰到好处，以确保转向盘不会因失控而旋转。此外，如果风暴变得如此严重，以至于减速也无法奏效，他们设计了一种“平滑切换”机制，让船长能够瞬间将方向盘交给一名“跟网型”划手，且不会造成颠簸，从而确保船只在最猛烈的风暴中幸存。

虚拟转向盘的故事

在高压输电领域，工程师们一直在努力将海量电力从产生地（如大型风电场）输送到需求地（如大城市）。一种流行的方法是使用“混合”系统：在起始端使用线控换流器（LCC），在末端使用模块化多电平换流器（MMC）。你可以把 LCC 想象成一辆坚固、传统的卡车，既便宜又耐用；而把 MMC 想象成一辆豪华且灵活的跑车，能够应对复杂的路况。

问题出现在目的地。有时，当地电网非常“弱”，意味着它缺乏足够的惯量（类似于沉重的飞轮）来保持稳定。为了解决这个问题，工程师在跑车上使用了“构网型”（GFM）控制。GFM 控制并不只是跟随电网的节奏，而是作为一个虚拟同步发电机，创造自己的电压和频率来稳住电网。这就像一位即便指南针坏了也能掌舵的船长。

但问题在于：当大规模故障（如三相短路）发生时，GFM 船长会被压垮。系统为了保护设备会尝试限制电流，在此过程中，转换器会从表现得像个电压源（稳健的船长）切换到电流源（惊慌的推挤者）。在这种状态下，“虚拟功率角”（即转换器内部电压与电网电压之间的夹角）开始剧烈摆动。如果这个角度摆动过大，超过了特定的“临界切除角”（CCA），系统就会失去同步并崩溃。这就像一个单摆摆动得太高，撞到了天花板并卡住了。

两步救援计划

论文作者提出了一个两步走的策略，旨在风暴来临时拯救这艘船。

1. “剩余功率”制动器
计划的第一部分是在崩溃前以聪明的方式减速。他们意识到，当故障发生时，发送端仍在持续推送功率，但接收端却无法将其释放。这产生了“剩余功率”，导致直流电压飙升。作者利用这一飙升信号作为预警。

他们没有简单地猛踩刹车或保持功率设定不变（这就像是定速巡航卡住了），而是创建了一种“动态功率降低”策略。他们计算出不平衡功率的确切数值，并利用它来瞬间降低 GFM 控制器的功率设定值。

• 运作方式： 通过降低功率目标，他们有效地缩小了“加速区”（将转向盘推离目标的力）并增大了“减速区”（停止的空间）。这使得临界切除角变得更大，为系统在失控前提供了更多的恢复时间。
• 结果： 在仿真实验中，当测试一个持续 5.7 秒的故障时，固定功率降低方案无法使系统稳定。然而，利用他们的动态策略，系统恢复平稳。虚拟功率角的摆动不再那么剧烈，直流电压和有功功率也恢复正常的速度更快（大约 8 秒，而不是长时间拖延）。

2. 向备份划手的“平滑切换”
但是，如果风暴过于严重，即使减速也无济于事怎么办？如果虚拟功率角已经过了无法挽回的临界点呢？
作者的第二项策略是“平滑切换”机制。如果角度变得过于危险，系统会立即将转换器从“构网型”模式切换到“跟网型”（GFL）模式。

• 挑战： 通常情况下，切换模式就像是在时速 100 英里的行驶过程中，将方向盘从一名驾驶员手中强行夺交给另一名。这会导致车辆颠簸，甚至导致翻车。
• 解决方案： 他们设计了一个“前馈补偿”系统。这就像一位副驾驶，观察着主驾驶员，并预先计算出备份驾驶员需要执行的操作。在切换发生之前，备份系统（GFL 控制器）已经开始追踪主系统的输出。当切换发生时，内环电流指令（即对电机的实际控制命令）保持连续。没有颠簸，没有尖峰，也没有失去控制。
• 结果： 在一次严重的故障（电压降至 0.1 p.u.）仿真中，使用了这种平滑切换的系统比未使用该功能的系统恢复快了约 7.5 秒。

仿真结果显示了什么

研究人员在一个详细的 ±800 kV, 4,000 MW 混合直流输电系统模型上测试了这些想法。他们模拟了发生在高端换流器交流侧的三相短路故障。

• 危险区域： 他们证实，如果故障持续时间过长，虚拟功率角会超过临界切除角，导致系统不稳定。具体而言，当故障切除时间延长到 5.9 秒时，固定功率降低方案完全失效，导致虚拟功率角持续上升且系统失去稳定性。相比之下，动态策略保持了系统的稳定。
• 动态优势： 当他们将动态功率降低与固定功率降低进行对比（针对 5.9 秒故障测试）时，动态方法显示的扰动明显更小。有功功率降至 380 MW，但在 8.5 秒时就开始恢复；而固定方案则看到直流电压持续上升至 690 kV，且功率剧烈振荡而无法恢复。
• 切换优势： 当他们在严重故障（0.1 p.u. 电压）下测试平滑切换时，带有切换功能的系统比没有切换功能的系统恢复快了 1 秒。至关重要的是，它防止了转换器被“锁定”在危险的电流源模式中。

核心结论

这篇论文并不声称解决了电力系统领域的所有问题，但它针对构网型转换器的已知弱点提出了一个非常具体且巧妙的解决方案。通过将“虚拟功率角”视为需要精心管理的转向盘，作者表明：

1. 基于剩余功率的动态制动比静态制动更好。它为系统提供了更大的安全裕度。
2. 向跟网型模式的平滑切换是应对极端风暴的有效应急出口，前提是不能猛打方向盘。

作者认为，这种方法结合了两者的优点：在风平浪静时拥有构网型船长的稳定性，而在飓风来临时拥有跟网型划手的可靠性。虽然这些结果基于仿真而非真实的电力线路测试，但它们为未来高压直流系统如何更安全、更具韧性地应对电网中不可避免的“风暴”提供了强大的理论和模型基础。