Comprehensive Optimization of Fault Current Limiter and Grounding Mode in MMC-HVDC Power Grid Based on Transient Energy Flow

Meiqin MAO; Min YUAN; Hui LU; Liuchen ZHANG

doi:10.7500/AEPS20211119009

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Comprehensive Optimization of Fault Current Limiter and Grounding Mode in MMC-HVDC Power Grid Based on Transient Energy Flow

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Comprehensive Optimization of Fault Current Limiter and Grounding Mode in MMC-HVDC Power Grid Based on Transient Energy Flow
- Automation of Electric Power Systems Vol. 46, Issue 19, Pages: 123-131(2022)
- 作者机构：
  
  教育部光伏系统研究工程中心，合肥工业大学，安徽省合肥市 230009
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Program of Introducing Talents of Discipline to Universities (“111” Program)(BP0719039)
- DOI：10.7500/AEPS20211119009
  CLC：
- Received：19 November 2021，
  
  Revised：2022-02-21，
  
  Published Online：14 June 2022，
  
  Published：10 October 2022
- 稿件说明：
移动端阅览
茆美琴,袁敏,陆辉等.基于暂态能量流的MMC-HVDC电网故障限流器和接地方式综合优化[J].电力系统自动化,2022,46(19):123-131.

MAO Meiqin,YUAN Min,LU Hui,et al.Comprehensive Optimization of Fault Current Limiter and Grounding Mode in MMC-HVDC Power Grid Based on Transient Energy Flow[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(19):123-131.
茆美琴,袁敏,陆辉等.基于暂态能量流的MMC-HVDC电网故障限流器和接地方式综合优化[J].电力系统自动化,2022,46(19):123-131. DOI： 10.7500/AEPS20211119009.

MAO Meiqin,YUAN Min,LU Hui,et al.Comprehensive Optimization of Fault Current Limiter and Grounding Mode in MMC-HVDC Power Grid Based on Transient Energy Flow[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(19):123-131. DOI： 10.7500/AEPS20211119009.

摘要

直流短路故障电流的迅速上升，严重制约了基于半桥子模块的模块化多电平换流器高压直流（MMC-HVDC）电网在实际工程中的应用。从故障限流器和接地方式都是通过增大故障回路电阻或电感进行限流的本质出发，提出了基于暂态能量流的故障限流器和接地方式的综合优化方法。该方法以暂态能量流抑制率和抑制效率为目标函数，以故障限流器、接地方式和中性线电抗为优化变量构建最优化模型。以四端双极型MMC-HVDC电网为例，在PSCAD/EMTDC仿真系统中对直流侧单极接地故障条件下的故障限流器和接地方式进行优化设计。结果表明

所选参数能够有效降低直流故障电流和桥臂电流，同时兼顾健全极过电压约束，为直流电网的故障限流器、接地方式和中性线电抗的多参数综合优化配置提供参考。

Abstract

The application in the practical engineering of modular multilevel converter based high voltage direct current (MMC-HVDC) power grid based on half bridge submodules has been seriously restricted by the rapid increasement of DC short-circuit fault current. From the essence that the fault current limiter and grounding mode limit the current by increasing the fault circuit resistance or inductance

a comprehensive optimization method of fault current limiter and grounding mode based on transient energy flow (TEF) is proposed. This method takes the TEF suppression rate and suppression efficiency as the objective functions

and takes the fault current limiter

grounding mode and neutral reactance as the optimization variables

to construct the optimization model. Taking the four-terminal bipolar MMC-HVDC power grid as an example

the fault current limiter and grounding mode under single-pole-to-ground fault conditions on the DC side are optimized in PSCAD/EMTDC simulation system. The results show that the selected parameters can effectively reduce the DC fault current and bridge arm current

and provide a reference for the multi-parameter comprehensive optimal configuration of fault current limiter

grounding mode and neutral line reactance of DC grid considering the overvoltage constraints of normal poles

关键词

Keywords

references

严胜，罗湘，贺之渊 . 直流电网核心装备及关键技术展望［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 3 ）： 205 - 215 .

YAN Sheng ， LUO Xiang ， HE Zhiyuan . Prospect of core equipment and key technology for DC power grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 3 ）： 205 - 215 .

汤广福，罗湘，魏晓光 . 多端直流输电与直流电网技术［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 10 ）： 8 - 17 .

TANG Guangfu ， LUO Xiang ， WEI Xiaoguang . Multi-terminal HVDC and DC-grid technology ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 10 ）： 8 - 17 .

赵西贝，许建中，卢铁兵，等 . 采用架空线的MMC-HVDC单极接地过电压分析［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 7 ）： 44 - 49 .

ZHAO Xibei ， XU Jianzhong ， LU Tiebing ， et al . Overvoltage analysis on overhead line based MMC-HVDC system under single-pole-to-ground ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 7 ）： 44 - 49 .

陈宁，齐磊，崔翔，等 . 柔性直流电网单极接地短路电流计算方法［J］. 电力建设， 2019 ， 40 （ 4 ）： 119 - 127 .

CHEN Ning ， QI Lei ， CUI Xiang ， et al . Calculation method for line-to-ground short-circuit currents of VSC-HVDC grid ［J］. Electric Power Construction ， 2019 ， 40 （ 4 ）： 119 - 127 .

李岩，黄豫，龚雁峰，等 . 柔性直流电网直流线路故障的过电压机理分析［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 5 ）： 146 - 153 .

LI Yan ， HUANG Yu ， GONG Yanfeng ， et al . Analysis on overvoltage mechanism of DC line fault in flexible DC grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 146 - 153 .

李承昱 . 柔性直流电网故障传播与保护机理研究［D］. 北京：华北电力大学， 2018 .

LI Chengyu . Research on the fault propagation and protection mechanisms of HVDC grid ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2018 .

汤广福，王高勇，贺之渊，等 . 张北500 kV直流电网关键技术与设备研究［J］. 高电压技术， 2018 ， 44 （ 7 ）： 2097 - 2106 .

TANG Guangfu ， WANG Gaoyong ， HE Zhiyuan ， et al . Research on key technology and equipment for Zhangbei 500 kV DC grid ［J］. High Voltage Engineering ， 2018 ， 44 （ 7 ）： 2097 - 2106 .

韩乃峥，樊强，贾秀芳，等 . 一种具备限流能力的多端口直流断路器［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 17 ）： 5172 - 5181 .

HAN Naizheng ， FAN Qiang ， JIA Xiufang ， et al . A multi-port DC circuit breaker with current limiting capability ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 17 ）： 5172 - 5181 .

刘剑，何雨微，徐祥海，等 . 柔性直流电网故障限流技术分析与探讨［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 4 ）： 9 - 16 .

LIU Jian ， HE Yuwei ， XU Xianghai ， et al . Analysis and discussion of fault current limiting technology in flexible DC grid ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 4 ）： 9 - 16 .

贺之渊，陆晶晶，刘天琪，等 . 柔性直流电网故障电流抑制关键技术与展望［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 2 ）： 173 - 183 .

HE Zhiyuan ， LU Jingjing ， LIU Tianqi ， et al . Key technologies and prospect of fault current suppression in flexible DC power grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 2 ）： 173 - 183 .

赵成勇，李帅，张继元，等 . 适用于直流电网故障清除的增强型MMC ［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 5 ）： 60 - 67 .

ZHAO Chengyong ， LI Shuai ， ZHANG Jiyuan ， et al . An augmented modular multilevel converter for clearing fault in DC grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 60 - 67 .

拓超群，贺之渊，徐千鸣，等 . 直流电网潮流控制器研究与应用综述［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 6 ）： 173 - 183 .

TUO Chaoqun ， HE Zhiyuan ， XU Qianming ， et al . Review on research and application of power flow controller of DC grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 6 ）： 173 - 183 .

李斌，何佳伟 . 多端柔性直流电网故障隔离技术研究［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 1 ）： 87 - 95 .

LI Bin ， HE Jiawei . Research on the DC fault isolating technique in multi-terminal DC system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 1 ）： 87 - 95 .

许阔，王甜婧，朱永强，等 . 基于电压源换流器的柔性配电系统故障限流方案［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 12 ）： 118 - 123 .

XU Kuo ， WANG Tianjing ， ZHU Yongqiang ， et al . Fault Current limiting strategy for flexible power distribution system based on voltage source converters ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 12 ）： 118 - 123 .

XIE S J ， QIU Y F ， BI T S . Resistive DC fault current limiter ［J］. The Journal of Engineering ， 2017 （ 13 ）： 1682 - 1685 .

马跃洋 . 多端柔性直流电网故障分析与限流方案研究［D］. 济南：山东大学， 2018 .

MA Yueyang . Research on fault analysis and fault current-limiting scheme for VSC-based multi-terminal DC grid ［D］. Jinan ： Shandong University ， 2018 .

魏能峤，周念成，廖建权，等 . 基于故障电流幅值和能量抑制贡献度的柔性直流限流设备参数优化［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 11 ）： 3751 - 3765 .

WEI Nengqiao ， ZHOU Niancheng ， LIAO Jianquan ， et al . A parameters optimal method for fault current limiting devices of MMC based on fault current amplitude and energy limiting contribution ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 11 ）： 3751 - 3765 .

CHEN L ， LI G C ， CHEN H K ， et al . Combinatorial multi-objective optimization of resistive SFCL and DC circuit breaker in hybrid HVDC transmission system ［J］. IEEE Transactions on Applied Superconductivity ， 2021 ， 31 （ 8 ）： 1 - 6 .

MAO M Q ， LU H ， CHENG D J ， et al . Optimal allocation of fault current limiter in MMC-HVDC grid based on transient energy flow ［J/OL］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ［ 2020-08-19 ］. https：//ieeexplore.ieee.org/document/9171674 https://ieeexplore.ieee.org/document/9171674 .

胡凯凡，茆美琴，何壮，等 . 直流短路故障下基于暂态能量抑制的MMC-HVDC电网主电路电感参数优化［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 5 ）： 1680 - 1690 .

HU Kaifan ， MAO Meiqin ， HE Zhuang ， et al . Optimization of inductance parameters of main circuit for MMC-HVDC grid based on transient energy suppression under DC short-circuit faults ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 5 ）： 1680 - 1690 .

王国钰，范春菊，李潇 . 伪双极接线不同接地方式下直流配电线路故障选极方案［J/OL］. 电网技术： 1 - 12 ［ 2021-11-29 ］. https：//doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2021.1546 https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2021.1546 .

WANG Guoyu ， FAN Chunju ， LI Xiao . Method for selecting fault poles of DC distribution lines under pseudo-bipolar wiring with different grounding modes ［J/OL］. Power System Technology ： 1 - 12 ［ 2021-11-29 ］. https：//doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2021.1546 https://doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2021.1546 .

刘麒麟，张英敏，陈若尘，等 . 张北柔直电网单极接地故障机理分析［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 8 ）： 3172 - 3179 .

LIU Qilin ， ZHANG Yingmin ， CHEN Ruochen ， et al . Pole-to-ground fault mechanism in Zhangbei flexible DC power grid ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 8 ）： 3172 - 3179 .

赵翠宇，齐磊，陈宁，等 . ±500 kV张北柔性直流电网单极接地故障健全极母线过电压产生机理［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 2 ）： 530 - 536 .

ZHAO Cuiyu ， QI Lei ， CHEN Ning ， et al . Research on producing mechanism of healthy pole bus overvoltage for monopolar grounding fault in ±500 kV Zhangbei flexible DC power grid ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 2 ）： 530 - 536 .

李春叶，黄华，孟祥有，等 . MMC-HVDC系统结构对多端直流电网故障的影响分析［J］. 电气传动， 2019 ， 49 （ 12 ）： 102 - 108 .

LI Chunye ， HUANG Hua ， MENG Xiangyou ， et al . Impact analysis of MMC-HVDC system topology on multi-terminal DC network faults ［J］. Electric Drive ， 2019 ， 49 （ 12 ）： 102 - 108 .

徐政，肖晃庆，张哲任 . 柔性直流输电系统［M］. 2版 . 北京：机械工业出版社， 2017 .

XU Zheng ， XIAO Huangqing ， ZHANG Zheren . Modular multi-level converter-based high voltage DC power transmission systems ［M］. 2nd ed . Beijing ： China Machine Press ， 2017 .

邓文军，刘麒麟，张英敏，等 . 张北柔直电网单极接地故障短路电流计算方法及接地策略［J/OL］. 高电压技术：［ 2022-01-11 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？FileName=GDYJ2021102500B&DbName=DKFX2021 https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?FileName=GDYJ2021102500B&DbName=DKFX2021 .

DENG Wenjun ， LIU Qilin ， ZHANG Yingmin ， et al . Short circuit current calculation method and grounding strategy of pole to ground fault in Zhangbei flexible DC power grid ［J/OL］. High Voltage Engineering ［ 2022-01-11 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？FileName=GDYJ2021102500B&Db https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?FileName=GDYJ2021102500B&Db Name=DKFX 2021 .

赵翠宇 . 张北±500 kV柔性直流电网直流侧短路故障过电压仿真研究［D］. 北京：华北电力大学， 2019 .

ZHAO Cuiyu . Simulation research on the DC side short circuit fault overvoltage of Zhangbei ±500 kV flexible DC power grid ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2019 .

郭贤珊，周杨，梅念，等 . 张北柔性直流电网故障电流特性及抑制方法研究［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 18 ）： 5438 - 5446 .

GUO Xianshan ， ZHOU Yang ， MEI Nian ， et al . Research on the fault current characteristic and suppression strategy of Zhangbei project ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 18 ）： 5438 - 5446 .

李岩，龚雁峰 . 多端直流电网限流电抗器的优化设计方案［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 23 ）： 120 - 126 .

LI Yan ， GONG Yanfeng . Optimal design scheme of current limiting reactor for multi-terminal DC power grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 23 ）： 120 - 126 .

茆美琴，程德健，袁敏，等 . 基于暂态能量流的模块化多电平高压直流电网接地优化配置［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 3 ）： 739 - 749 .

MAO Meiqin ， CHENG Dejian ， YUAN Min ， et al . Optimal allocation of grounding system in high voltage direct current grid with modular multi-level converters based on transient energy flow ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 3 ）： 739 - 749 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Detection and Location Method of Single-phase-to-ground Fault in Distribution Network Based on Zero-sequence Transient Fault Component

Related Author

WEI Nengqiao

ZHOU Niancheng

LUO Yongjie

WANG Qianggang

SUN Jian

LIAO Kai

HE Zhengyou

PENG Hexiang

Related Institution

State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology(Chongqing University)

School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University

School of Electrical Engineering, Shandong University

Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology, Ministry of Education (Northeast Electric Power University)

College of Electrical Engineering, Sichuan University

⁰