LCC-HVDC系统在逆变侧连接弱交流系统时可能出现小干扰失稳以及动态性能恶化的问题，需要同时关注系统的稳定性和动态性能。而现有的控制参数优化方法所用的目标函数往往仅描述系统的稳定性或动态性能，而不能同时兼顾。针对这一问题，本文利用能够同时衡量系统稳定性和动态性能的能量衰减指标作为目标函数对LCC-HVDC系统关键控制参数进行优化。通过不同功率运行点下的测试，证明经过参数优化的 LCC-HVDC在弱交流系统下的稳定性和动态性能有明显提升，证明了优化方法的有效性。
研究背景
LCC-HVDC系统在“西电东送”战略中起到重要作用，随着LCC-HVDC系统的电压等级和输送容量的不断提高，交流系统的强度相对下降。已有文献研究表明LCC-HVDC系统逆变侧连接弱交流系统会存在换相失败、小干扰失稳、送端系统暂态过电压等问题，这些问题与控制系统息息相关。
控制系统的参数对LCC-HVDC系统稳定性和动态性能具有较大的影响，选择合适的控制参数对于系统的安全稳定运行十分重要。因此有必要研究LCC-HVDC的控制参数优化方法，提高系统在弱交流电网下的稳定性和动态性能。
论文所解决的问题及意义
现有针对HVDC系统的控制参数优化方法采用的目标函数一类是通过系统的特征值构造得到，能够描述系统的稳定性但只能反映系统中某些模态的振荡特性不能描述高阶系统整体的动态性能。而反映系统动态性能的指标如误差时间积分（ITAE）指标不能体现系统的稳定性。现有优化方法的目标函数只能描述稳定性或者动态性能，无法兼顾。
论文主要研究内容
1.LCC-HVDC系统关键控制参数辨识
建立LCC-HVDC的小信号模型，通过根轨迹法寻找系统的主导模态，通过主导模态对控制参数的灵敏度确定关键控制参数作为待优化的参数。
图1 主导模态与关键控制参数的识别
2.基于能量衰减指标的待优化参数可行域计算方法
能量衰减指标代表系统能量（即系统李雅普诺夫函数）在状态空间中的最小衰减速率，通过提高能量衰减指标能够让系统在受到扰动后更快恢复到平衡点，既能提高系统的动态性能也能提高稳定性。选取令能量衰减指标取较大值的控制参数范围作为优化可行域，优化可行域内的点能够满足系统对稳定性和动态性能的基本要求。用此方法能够得到可视化的参数可行域，具有直观、准确的优势。
图2 待优化参数的可行域
3.基于能量衰减指标的控制参数优化方法
以能量衰减函数的最大值作为寻优目标，在可行域内寻找最优控制参数。优化方法的流程如图3所示。利用蒙特卡洛法以均匀分布的方式生成随机数组合作为待优化参数的样本，判断生成的随机数组合是否在可行域内，若随机数组合在可行域内，将随机数组合作为待优化控制参数的数值，计算此控制参数组合下系统的能量衰减指标值；如果随机数组合不在可行域内，重新生成随机数组合。不断迭代，直到在可行域内的随机数组合数量达到设定值（这里取10000）。在此过程中记录在可行域内令能量衰减指标取最大值的随机数组合作为优化后的控制参数。
图3 控制参数优化的流程
最后，在不同功率运行点下通过根轨迹、阶跃响应对比，证明在优化后的控制参数下系统的稳定性和动态性能都有显著提升。
图4 不同运行点下优化效果验证
结论
本文利用能量衰减指标和蒙特卡洛算法优化了对系统稳定性影响较大的关键控制参数，并在不同功率运行点下验证本文所提的优化方法可以同时提高弱交流系统下LCC-HVDC系统的稳定性和动态性能。
团队介绍
直流输电团队共有教授3人，副教授2人，讲师1人，其中博士生导师3人。团队在读硕士63人，博士13人。近5年毕业硕士50人、博士10人（44%学生获得国家奖学金），毕业后主要就职于国家电网和南方电网、科研院所、高校和外资企业等单位。
直流输电团队由赵成勇教授负责，长期专注直流输电方面研究，主持承担国家863计划课题、国家重点研发计划课题、国家自然基金项目等纵向项目12项，国家电网公司和南方电网公司科研项目40余项。出版直流输电专著5部，发表论文460余篇，SCI检索80余篇、EI检索260余篇，其中4篇IEEE Transaction论文入选SCOPUS前1%高被引，1篇论文入选2016年度“中国百篇最具影响国内学术论文”；授权发明专利45项，申请发明专利82项。获2011年度国家能源科技进步奖二等奖、2016年度中国电力创新奖一等奖、2020年教育部技术发明二等奖、2020年中国电工技术学会科技进步一等奖、2020年度福建省科技进步二等奖，2022年度贵州省技术发明一等奖等奖励。
依托新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），开发了四端直流电网物理平台、混合直流输电动模试验平台、实时仿真平台等，在直流电网的故障清除、混合直流输电的控制保护、电力电子装备的实时仿真技术等方面取得了多项原创性成果。
主要作者介绍
郭春义，华北电力大学教授，博士生导师。IEEE高级会员；CIGRE B4.64和CIGRE B4.79工作组成员；2015年-2016年加拿大多伦多大学博士后。兼任中国电源学会电力电子化电力系统及装备专业委员会副主任委员，第一届CIGRE SC B4（直流系统和电力电子）中国专委会委员，IEEE PES直流电力系统技术委员会（中国）直流输配电系统仿真技术分委会副主席，CSEE Journal of Power and Energy Systems青年学科编辑，《高电压技术》编委会青年委员。
从事直流输电系统的稳定与控制的研究工作，先后主持国家自然科学基金3项、教育部博士点基金项目1项以及20余项企业项目。在科学出版社出版《直流输电系统的小信号稳定性》和《混合直流输电》2部专著，发表SCI论文45篇，EI期刊论文100余篇，授权发明专利30项。
本文编自2023年第7期《电工技术学报》，论文标题为“提高LCC-HVDC在弱交流系统下的稳定性和动态性能的控制参数优化方法”。