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第1章 柔性直流输电系统的基本拓扑结构 1

1.1柔性直流输电的定义 1

1.2.电压源换流器的基本特性 1

1.2.1三种常用电压源换流器的结构 1

1.2.2三种常用电压源换流器的特点 4

1.2.3电压源换流器的基本特性 6

1.3柔性直流输电系统的基本特点 7

1.4柔性直流输电系统的主接线方式 10

1.4.1由VSC或MMC基本单元构成的双极系统主接线——伪双极系统接线 11

1.4.2由VSC或MMC基本单元串并联构成的组合式换流器 13

1.4.3由组合式换流器构成的双极系统主接线 14

1.5基于箝位双子模块的C-MMC-HVDC双极系统主接线 15

1.6由LCC与C-MMC构成的混合式HVDC双极系统主接线 17

1.7由LCC加二极管阀加MMC构成的混合式HVDC双极系统主接线 18

1.8应用柔性直流输电技术解决我国未来电网发展中的重大问题 19

参考文献 24

第2章 MMC基本单元的工作原理 27

2.1 MMC基本单元的拓扑结构 27

2.2 MMC的工作原理 28

2.2.1子模块工作原理 28

2.2.2三相MMC工作原理 30

2.3 MMC的运行特性 32

2.4 MMC的调制方式 33

2.4.1调制问题的产生 33

2.4.2调制方式的比较和选择 33

2.4.3 MMC中的最近电平逼近调制 36

2.4.4 NLM谐波性能分析 37

2.4.5适用于MMC的改进载波相移调制方式 39

2.5 MMC的损耗分析 42

2.5.1 IGBT功率损耗的组成 43

2.5.2 IGBT通态损耗 43

2.5.3 IGBT开通损耗 44

2.5.4 IGBT关断损耗 46

2.5.5算例分析 47

参考文献 51

第3章MMC基本单元的主电路参数选择 53

3.1引言 53

3.2桥臂子模块数的确定原则 53

3.3 MMC单元的电平数与其子模块数和控制频率的关系 54

3.3.1电平数与控制频率的基本关系 54

3.3.2两个临界控制频率的计算 55

3.4 MMC电平数与谐波之间的关系 57

3.4.1谐波分析方法 57

3.4.2控制器控制频率fs对谐波特性的影响 60

3.4.3电压调制比κ对谐波特性的影响 61

3.4.4考虑系统谐波阻抗的影响 62

3.4.5仿真验证 63

3.5子模块直流电容值的确定 65

3.6桥臂电抗值的确定 66

3.6.1桥臂电抗器作为连接电抗的一个部分 66

3.6.2桥臂电抗器用于抑制MMC内部环流 67

3.6.3桥臂电抗器用于抑制故障下的浪涌电流 69

参考文献 71

第4章MMC基本单元的控制和保护策略 72

4.1柔性直流输电系统控制策略简介 72

4.2 MMC数学模型 72

4.3 MMC控制器设计 75

4.3.1内环电流控制器 76

4.3.2外环控制器 77

4.4子模块电容电压平衡控制 78

4.5仿真研究 79

4.5.1功率阶跃和不对称故障 79

4.5.2电容电压优化平衡 83

4.6保护策略 83

4.6.1保护区域的划分 84

4.6.2常见故障的分类 87

4.6.3 MMC-HVDC保护策略 90

参考文献 90

第5章MMC-HVDC系统的环流抑制和启动控制 92

5.1 MMC数学模型 92

5.2 MMC内部环流形成机理 94

5.3 MMC内部环流抑制方法 97

5.4环流抑制控制仿真算例 100

5.5启动控制策略 102

5.5.1子模块电容预充电阶段 103

5.5.2定直流电压和定功率控制阶段 103

5.5.3接通直流线路阶段 104

5.5.4功率提升阶段 104

5.6启动控制仿真算例 105

参考文献 110

第6章 极由MMC基本单元串并联构成时的运行特性 111

6.1 MMC基本单元 111

6.2基本单元串联构成一极 111

6.2.1运行特性 111

6.2.2串联均压特性 115

6.3基本单元并联构成一极 116

6.3.1运行特性 116

6.3.2并联均流特性 120

6.4启动特性 121

6.4.1启动过程分析 121

6.4.2启动过程仿真 124

参考文献 127

第7章 多端柔性直流输电的运行特性 128

7.1概述 128

7.2多端柔性直流输电的系统级控制器设计 129

7.2.1主从控制器 129

7.2.2直流电压偏差控制器 130

7.2.3直流电压斜率控制器 132

7.3仿真验证 135

7.3.1多点直流电压控制策略仿真验证 135

7.3.2直流电压斜率控制器仿真验证 139

参考文献 141

第8章 柔性直流换流站的绝缘配合设计 142

8.1引言 142

8.2金属氧化物避雷器的特性 142

8.3 MMC换流站避雷器的布置 145

8.4金属氧化物避雷器的参数选择 147

8.5换流站保护水平与绝缘水平的确定 149

8.6算例分析 149

8.6.1系统参数 149

8.6.2避雷器参数的选择 151

8.6.3需要考虑的各种故障 153

8.6.4避雷器参数选择 156

8.6.5避雷器的保护水平、配合电流、能量以及设备绝缘水平的确定 158

8.7相关结论 163

参考文献 163

第9章 模块化多电平换流器阀的设计 164

9.1引言 164

9.2换流阀的宽频等效模型 164

9.2.1杂散电容参数的物理意义 165

9.2.2换流阀高频模型的简化原理 165

9.2.3考虑杂散电容的换流阀简化宽频模型 167

9.3换流阀的杂散参数提取方法概述 169

9.3.1求解对地电容矩阵Cg的两种基本理论 169

9.3.2求解对地电容矩阵Cg两种方法的评价 171

9.3.3根据对地电容矩阵Cg计算集总电容矩阵C 171

参考文献 172

第10章 适用于架空线路的柔性直流输电系统 173

10.1概述 173

10.1.1现有VSC拓扑的基本分类 173

10.1.2直流侧故障对VSC-HVDC发展的影响 175

10.2 HCMC的拓扑特点和运行机理[21] 177

10.2.1建模与分析 179

10.2.2导通开关调制策略 181

10.2.3整形电路的调制策略 186

10.2.4直流电流闭锁机理 189

10.2.5仿真算例 190

10.3 AAMC的拓扑特点和运行机理 193

10.3.1拓扑特点 193

10.3.2数学模型 195

10.3.3能量分析与导通开关调制策略 196

10.3.4整形电路的调制策略 202

10.3.5仿真算例 202

10.4 F-MMC的拓扑特点和运行机理 204

10.5 C-MMC的拓扑特点和运行机理 205

10.5.1结构特点和数学模型 205

10.5.2启动控制策略 209

10.5.3接地方式与直流故障控制策略 220

10.6小结 229

参考文献 229

第11章 适用于架空线路的混合型柔性直流输电系统 232

11.1引言 232

11.2混合直流输电系统拓扑结构与模型 233

11.2.1拓扑结构 233

11.2.2数学模型 233

11.3混合直流输电系统控制策略 234

11.4混合直流输电系统启动策略研究 235

11.4.1受端交流系统为MMC中的电容器充电 235

11.4.2直流系统为MMC中的电容器充电 237

11.5混合直流输电系统直流故障清除研究 239

11.6仿真验证 240

11.6.1概述 240

11.6.2启动策略和稳态仿真 241

11.6.3逆变侧交流故障仿真 243

11.6.4直流故障及重启动仿真 244

参考文献 246

第12章 柔性直流输电应用于海上风电场接入电网 248

12.1引言 248

12.2海上风电场群采用柔性直流输电接入电网的一般性结构 250

12.3风力发电机组概述 251

12.3.1双馈风力发电机组结构 251

12.3.2风力机的空气动力学模型 252

12.3.3桨距角控制 252

12.3.4机械传动系统模型 253

12.3.5异步电机模型 254

12.4双馈风力发电机组控制系统设计 255

12.4.1 RSC控制器的设计 255

12.4.2 GSC控制器的设计 258

12.5柔性直流输电系统及其控制 259

12.5.1与风电场连接的换流器的控制策略 260

12.5.2与电网连接的换流器的控制策略 261

12.6不同类型故障下风力发电机组与VSC-HVDC系统的控制策略 262

12.6.1受端交流电网故障时的控制策略 262

12.6.2风电场电网故障 263

12.7仿真算例 264

12.7.1风速阶跃变化时系统响应特性 264

12.7.2受端电网故障特性 267

12.7.3风电场出口故障特性 267

参考文献 272

第13章 柔性直流输电系统的电磁暂态快速仿真方法 273

13.1引言 273

13.2 MMC电磁暂态快速仿真方法 274

13.2.1嵌套快速同时求解算法 274

13.2.2桥臂的戴维南等效电路计算 276

13.2.3 MMC电磁暂态快速仿真方法流程图 280

13.3 MMC电磁暂态快速仿真方法算例 281

13.3.1 MMC电磁暂态快速仿真方法可行性验证 281

13.3.2 MMC电磁暂态快速仿真方法应用于实际柔性直流输电系统 285

参考文献 287

本章附录 288

1.箝位双子模块戴维南等效电压的推导 288

2.箝位双子模块的电容电流ic1、ic2与输入电流ism以及电容戴维南等效uceq1和uceq2之间的关系推导 289

第14章 柔性直流输电系统的机电暂态仿真方法 291

14.1概述 291

14.2两端柔性直流输电系统机电暂态仿真方法 291

14.2.1电压源换流器的基频数学模型 292

14.2.2 VSC-HVDC直流侧的机电暂态数学模型 293

14.2.3内环电流控制器模型 294

14.2.4调制环节数学模型 295

14.2.5外环控制器模型 295

14.2.6柔性直流输电系统的代数微分方程组 296

14.2.7仿真算例 297

14.3多端柔性直流输电系统机电暂态建模研究 301

14.3.1含VSC-MTDC系统的潮流计算方法 301

14.3.2 VSC-MTDC的详细数学模型 302

14.3.3 VSC-MTDC的简化模型 304

14.3.4仿真算例 308

14.4柔性直流输电技术解决多直流馈入问题的实例分析 314

14.4.1研究思路 315

14.4.2研究条件和计算原则 315

14.4.3计算工具 315

14.4.4传统直流异步网方案下东莞-惠州严重故障特性分析 316

14.4.5柔性直流异步网方案下东莞-惠州严重故障特性分析 317

参考文献 319

附录 已投运的MMC-HVDC工程介绍 321

附录A美国Trans Bay Cable工程介绍 321

附录B上海南汇风电场柔性直流输电工程介绍 322

参考文献 324