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内容简介

《柔性直流输电系统稳态潮流建模与仿真》重点阐述了柔性直流输电系统稳态潮流建模及其数值仿真相关技术，针对模块化多电平换流器，提出了基于排序建模法的电容电压平衡稳定控制策略；基于同电位点可以短接的等效电路原理，建立了柔性直流输电稳态方程，提出了一种适用于柔性直流输电系统的统一迭代潮流求解算法，该算法适合推广到含多端和多馈入的交直流混合系统；基于保留非线性方法，提出了一种自动生成交直流系统方程雅可比矩阵的改进算法，以提高潮流程序的开发和计算效率；通过对含负荷参数的潮流方程的确定，建立了含柔性直流输电的交直流混合系统静态电压稳定分析模型；对修改后的 IEEE 节点算例系统进行相关的潮流与电压稳定仿真分析，以验证《柔性直流输电系统稳态潮流建模与仿真》模型和算法的有效性。

目录

前言
第1章绪论1
1.1引言1
1.2HVDC输电系统概况3
1.2.1HVDC的原理和技术特点5
1.2.2HVDC的发展8
1.3VSC-HVDC输电系统的概况14
1.3.1VSC-HVDC的技术特点14
1.3.2VSC-HVDC的研究状况16
1.4MMC-HVDC输电系统的概况17
1.4.1MMC-HVDC的技术特点17
1.4.2国外MMC-HVDC的工程应用17
1.4.3国内MMC-HVDC的工程应用19
1.4.4MMC-HVDC研究现状和存在的问题21
1.5交直流系统潮流计算的研究现状31
1.6交直流系统电压稳定的研究现状31
1.6.1静态电压稳定32
1.6.2动态电压稳定33
参考文献34
第2章MMC-HVDC的运行机理与等效模型44
2.1引言44
2.2MMC-HVDC的基本机理44
2.2.1MMC的基本概念44
2.2.2MMC的基本原理47
2.2.3MMC-HVDC系统的构成51
2.3MMC-HVDC的稳态运行特性52
2.3.1VSC-HVDC系统的运行特性52
2.3.2MMC-HVDC系统的运行特性53
2.4MMC-HVDC的运行控制方式56
2.5本章小结57
参考文献57
第3章模块化多电平换流器控制策略59
3.1引言59
3.2多电平换流器脉冲宽度调制算法59
3.2.1空间矢量脉冲宽度调制60
3.2.2开关频率优化脉冲宽度调制60
3.2.3载波移相脉冲宽度调制60
3.3模块化多电平换流器脉冲宽度调制算法60
3.3.1载波同相层叠脉冲宽度调制61
3.3.2载波交替反相层叠脉冲宽度调制61
3.3.3载波正负反相层叠脉冲宽度调制62
3.3.4三种调制方法实验对比62
3.3.5三种调制算法的相关数学推导69
3.4子模块电容电压控制74
3.4.1子模块电容电压平衡控制74
3.4.2子模块电容电压稳定控制76
3.4.3仿真分析78
3.5本章小结80
参考文献80
第4章含MMC-HVDC的交直流系统稳态模型和潮流计算82
4.1引言82
4.2MMC-HVDC简化等效模型82
4.3含MMC-HVDC的交直流系统潮流计算84
4.3.1含MMC-HVDC交直流系统潮流方程84
4.3.2交直流潮流统一迭代算法85
4.4算例分析87
4.4.1含两端MMC-HVDC的IEEE-57节点系统88
4.4.2含多端MMC-HVDC的IEEE-57节点系统90
4.4.3不同算例和不同控制方式之间的性能比较91
4.5本章小结91
参考文献91
第5章基于保留非线性的改进潮流算法93
5.1引言93
5.2自动微分技术93
5.3改进的交直流潮流算法96
5.4基于保留非线性的交直流潮流算法98
5.5算例分析100
5.5.1含两端MMC-HVDC的交直流系统101
5.5.2含三端MMC-HVDC的交直流系统103
5.5.3含两馈入MMC-HVDC的交直流系统104
5.5.4不同算例和不同控制方式之间的性能比较104
5.6本章小结105
参考文献106
第6章含MMC-HVDC的交直流系统静态电压稳定108
6.1引言108
6.2连续潮流算法108
6.3含MMC-HVDC的交直流系统电压稳定模型111
6.3.1含参数的潮流方程111
6.3.2基于统一迭代法的连续潮流算法111
6.4算例分析115
6.4.1运行方式1116
6.4.2运行方式2和3117
6.4.3运行方式4118
6.4.4MMC-HVDC运行在4种方式下的性能比较119
6.5交直流系统连续潮流算法雅可比矩阵元素119
6.6本章小结122
参考文献123
第7章修改后的IEEE节点算例系统参数126
7.1修改后的IEEE-5节点系统126
7.2修改后的IEEE-14节点系统127
7.3修改后的IEEE-30节点系统128
7.4修改后的IEEE-39节点系统130
7.5修改后的IEEE-57节点系统132
7.6修改后的IEEE-118节点系统134
参考文献135

精彩书摘

第1章绪论
1.1引言
目前，我国电力系统已从区域性电网过渡到全国性互联电网。众所周知，我国地域辽阔，能源分布和负荷发展极不均衡，
其中60%的煤炭资源集中在山西平朔、陕西神户和内蒙古西部地区，72%的水力资源集中在西南地区，如金沙江、岷江、雅
鲁藏布江和怒江等河流，而负荷中心却集中在北京、广东和上海等东部沿海城市，其电能消费约占全国的50%以上。因此，
一边是守着优越条件“望水兴叹”、“望煤兴叹”，而另一边是为缺电而苦恼，提出实施“西电东送”这一伟大工程无疑
为解决矛盾提供了可能。西电东送工程为把西部资源优势转化为经济优势提供了新的历史机遇，对加快我国能源结构调整
和东部地区发展将发挥极其重要的作用[1-6]。
根据我国有关部门规划，西电东送将主要由北、中、南三大输电通道构成。北线是将黄河上游的水电和山西、内蒙古坑口
火电送往华北电网京津唐地区；中线是将三峡和金沙江干支流水电输向华东电网；南线是将贵州乌江、云南澜沧江和桂滇
黔三省交界处的南盘江、北盘江、红水河的水电以及黔滇两省的坑口火电向华南输送。预计截止到2030年，距离超过
1000km的西电东送容量中，北线为19.8GW，中线为51.3GW，南线为29.3GW，三大通道总输送容量为100GW[3]。
因此，在西电东送工程中，如何解决远距离大容量输电已成为不可避免的现实问题。目前可行的技术方案有特高压交流输
电技术和高压直流（High Voltage Direct Current，HVDC）输电技术。在特定的条件下，HVDC系统与交流输电系统相比
，在技术和经济上具有一定的优势，主要表现在以下几个方面[1-6]：
（1）与输送相同功率的交流线路相比，HVDC的直流输电线路造价更低，传输效率更高，且所需输电走廊较小；
（2）HVDC输电方式的功率和能量的损耗较小；
（3）HVDC输电线本身不存在交流输电系统自身固有的稳定问题，输送距离和功率也不受电力系统同步运行稳定性的限制；
（4）线路稳态运行时没有电容电流，没有电抗压降，沿线电压分布较平稳，线路本身无需无功功率补偿；
（5）可以实现交流系统间的非同步相连；
（6）交流系统经由HVDC相连时，短路容量没有增加；
（7）利用HVDC的快速调节性能可提高交流系统的稳定性，并可隔离故障；
（8）潮流和功率控制更为容易等。
此外，由于常规能源的紧张和环境的日益严峻问题，可再生能源的开发和利用受到前所未有的重视，与之相适应的分布式
发电（Distributed Generation，DG）技术因此得到快速发展。大电网与DG相结合被世界许多能源、电力专家公认为是能
够节省投资、降低能耗和提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，是21世纪电力工业的发展方向[4]。HVDC输电技术是
DG大规模接入电网系统的关键技术之一，其将电力电子技术与现代控制技术相结合，通过对电力系统参数的连续调节控制
，从而可以大幅降低输电损耗、提高输电线路输电能力和保证电力系统稳定水平。因此，HVDC输电在DG领域有着巨大的应
用潜力，将会带来巨大的经济效益和社会效益。
与传统交流输电系统相比，交直流混合系统具有较大的输送容量和更为灵活的运行方式。多条直流联络线的引入，提高了
整个系统的可控程度，但同时也带来一些特殊问题：交直流系统间、直流子系统间相互影响，且各直流控制系统结构和参
数存在差异，从而使交直流系统安全稳定性问题更加突出，对电网稳定运行和控制提出了更高的要求。传统HVDC采用晶闸
管换流设备，只能控制导通角，需反向电压以实现关断，可能出现的换相失败故障，已成为系统安全运行的一大威胁；而
换流过程需要消耗大量无功功率，更对其接入的交流系统的电压稳定性提出了严峻挑战[7-9]。
随着新型电力电子器件和现代控制技术的快速发展，采用电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）和脉宽调制
（Pulse Width Modulation，PWM）技术的电压源换流器型高压直流（VSC-HVDC）输电系统已经投入运行。VSC-HVDC可对
交直流系统交流母线无功功率进行动态补偿，从而可为受端系统提供良好的电压支撑，有利于防止系统中晶闸管换相失败
，并有助于在故障后快速恢复直流功率。自1997年世界上首个VSC-HVDC试验工程成功投运以来，VSC-HVDC凭借其独特的技
术优势，一直吸引着国内外众多学者和工程研究人员的高度关注[10，11]。目前，国内外已有数十项VSC-HVDC的工程应用
，VSC-HVDC在向无源网络供电、新能源并网和城市供电等领域具有广阔的应用前景[11]。
目前已投运的VSC-HVDC工程的换流器基本是由2电平或3电平等拓扑组成的，此种结构的拓扑已经获得了广泛的应用，但其
本身存在着一些缺陷，用于HVDC工程时有诸多不足之处。例如，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar
Transistor，IGBT）串联所带来的静态、动态均压和电磁干扰，以及受电平数的限制，2电平或3电平换流器拓扑输出特性
较差；2电平或3电平的VSC多采用PWM调制，器件开关频率高，开关损耗较大；2电平或3电平的VSC拓扑用于高压领域时，
因受单个开关器件耐压的限制，仍然免不了使用开关器件的直接串联，对各器件开通和关断的一致性、串联器件的均压特
性等要求较高，一定程度上限制了其在HVDC工程中的进一步应用。以在风电场的应用为例，已有研究表明[12，13]，尽管
VSC-HVDC性能优良、运行灵活，但因其损耗较高、换流器容量限制等缺陷，使得其在较大型风电场并网中的应用不是一个
昀优的方案，传统的HVDC效果优于VSC-HVDC。若采用基于多电平拓扑的VSC构成换流器，则可弥补上述2电平或3电平的某
些缺陷，并且从动态特性和谐波影响等方面考虑出发，采用多电平拓扑的VSC更具有优势。
常见的多电平换流器有二极管箝位型、飞跨电容型和级联H桥型，其中二极管箝位型、飞跨电容型在VSC输出电平数较多时
，所需的悬浮电容将急剧增加，给系统控制及设备装配带来较大的困难，并且因受VSC电平数目的限制，输出特性差、难以
模块化生产；而级联H桥型需要的独立直流电源较多，不易实现四象限运行，对于有功功率传输的场合，需要大量额外的独
立直流电源，增加了工程应用的成本，并且其拓扑中不存在公共的直流正、负极母线，不适合用于直流输电领域[11，14
-16]。
为此，德国慕尼黑联邦国防军大学的学者MarquardtR在2001年提出了模块化多电平换流器（Modular Multilevel
Converter，MMC）拓扑[17]，并研制了2MW、17电平的试验样机。MMC将电容与开关器件视为一个整体来构建子模块，该拓
扑无需器件直接串联，通过子模块串联提升换流器的电压及功率等级，易于扩展到任意电平输出，具有较低的谐波畸变，
且可采用较低的开关频率，从而降低了损耗，提高了效率；并且，MMC的模块化结构使其可扩展性强，容易实现冗余控制。
因而，MMC在无功补偿、有源滤波器、电机拖动、电力牵引、直流输电等领域具有广阔的应用前景[18-22]；并且，MMC可
提供一个公共直流侧，更易实现背靠背的连接，因此适合用于VSC-HVDC输电领域。
与VSC-HVDC相比，基于MMC的VSC-HVDC系统在减少开关损耗、容量升级、电磁兼容、故障管理等方面具有明显的优势[18，
23-25]。目前，世界上已有4项投入运行的基于MMC的VSC-HVDC实际工程：美国旧金山市（San Francisco）的TBC（Trans
Bay Cable）工程、我国上海的南汇风电场柔性直流输电示范工程、广东南澳±160kV多端柔性直流输电示范工程和浙江舟
山多端柔性直流输电示范工程。2010年11月，世界上首个基于MMC的VSC-HVDC工程——TBC工程在美国旧金山市北部投入运
行[26]。我国的上海南汇风电场示范工程是我国第一个基于MMC的VSC-HVDC工程，于2011年7月25日正式投入运行[27]。目
前，由于基于MMC的VSC-HVDC技术尚处于起步阶段，其基础理论和工程应用等相关问题仍需要作进一步的研究。针对基于
MMC的VSC-HVDC交直流电力系统这一新的电网模式，将系统稳定性问题和分布式电源、系统互联的发展结合考虑，并根据
近年来VSC-HVDC技术的日趋成熟、实用输送容量的快速增长这一事实，对含有基于MMC的VSC-HVDC交直流混合电力系统的
潮流及其稳定性开展探索研究，具有重要的理论和现实意义。
1.2HVDC输电系统概况
直流输电是以直流电的方式进行电能传送。电力系统中发电和用电设备绝大部分都是交流电，因此直流输电的基本工作原
理是通过换流装置将送端交流电转换成直流电（称之为整流），将直流电传送到受端换流装置，然后在受端将直流电转换
成交流电（称之为逆变），昀后将电能传输到受端系统中去。进行交直流转换的场所，称之为换流站。本书将进行整流的
场所称为整流站，进行逆变的场所称为逆变站。两端直流输电系统主要由整流站、逆变站和直流输电线路三部分组成。两
端直流输电系统通常具有双向直流送电功能，即具有有功功率反送功能，在此情况下，任一侧的换流站既可作为整流站运
行，也可以作为逆变站运行。因此，对于同一高压直流输电工程而言，两侧换流站的设备种类、设备数量甚至设备布置方
式几乎完全一样，仅仅在于少数设备的台数和容量有所差别。其中，换流器是换流站中昀重要的电气一次设备，除此之外
，为了满足交、直流系统对于安全稳定和电能质量的要求，换流站中还装设有以下设备：换流变压器、平波电抗器、滤波
器、无功补偿装置、控制保护系统、接地极线路、接地极、远程通信系统等[28，29]。
根据换流站的数目，直流输电系统可以分为两端直流输电系统和多端直流输电系统，其中，两端直流输电系统只有两个换
流站，与交流系统有两个连接端口，是结构昀简单的直流输电系统；具有三个或三个以上的换流站的直流输电系统为多端
直流输电系统，它与交流系统有三个或三个以上的连接端口[30-32]。目前，世界上已经投入运行的直流输电工程大部分
为两端直流输电系统，根据工程特点和运行需要，主要分为直流单极输电系统、直流双极输电系统和背靠背直流输电系统
三种类型，只有为数不多的多端直流输电系统处于试验运行阶段。因此，本章在此主要介绍两端直流输电系统的分类及其
基本概念。
1）直流单极输电系统
直流单极输电系统[28]根据回流方式不同，分为单极大地（海水）回线和单极金属回线两种接线方式。前者利用大地或海
水作为返回通路，直流输电线路只需要一根极导线，因此这种方式可以大大降低直流输电工程的造价，但是接地极对地下
铺设物、通信线路及磁性罗盘均会造成一定的影响和危害。
单极金属回线方式由一根高压极导线和一根低压极导线组成，这种接线方式显然在经济上不是昀合理的，但是它往往作为
直流双极输电系统的一期工程。
2）直流双极输电系统
直流双极输电系统[28]又可分为两端中性点接地方式、单端中性点接地方式和中性线方式。两端中性点接地方式相当于两
个单极大地（海水）回线方式。当双极对称运行时，理想情况下，正负两极导线的电流大小相等，方向相反，接地极无电
流。实际运行中，由于换流变压器阻抗和触发角等因素，两极导线的电流不是完全相等的，会造成接地极有不平衡电流流
过，可以通过调节控制两极的触发角，使其小于额定直流电流的1%。当任意一极输电线路或换流阀发生故障退出运行时，
仍可以单极大地（海水）回线方式运行，承担输送50%的电能。由此可见，这种方式很大程度上提高了直流输电的可靠性和
可用率。目前投入运行的直流输电工程较多采用这种运行方式。
单端中性点接地方式只将某一端换流站的中性点接地，流过接地极的电流为正负两极导线的电流之差。这种方式发生单极
故障时，系统就无法运

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