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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C171

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