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基于子模块级联型换流器的柔性输电系统 徐政 张哲任 肖晃庆 
定 价：298 元
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本书包含三大板块。第一大板块是新型电力系统基础理论，内容包括电压源换流器（VSC）与交流电网之间的五种同步控制方法，VSC及其控制模式的分类，基于模块化多电平换流器（MMC）的全能型静止同步机的原理与应用，电力系统强度的定义及其计算方法，电力系统谐振稳定性的定义及其分析方法，基于阻抗模型分析电力系统谐振稳定性的两难困境等。第二大板块是柔性直流输电系统的原理和应用，内容包括MMC的工作原理及其稳态特性，MMC的主电路参数选择与损耗计算，基于MMC的柔性直流输电系统的控制策略，MMC中的子模块电容电压控制，MMC的交直流侧故障特性分析及直流侧故障自清除能力构建，适用于架空线路的柔性直流输电系统，大规模新能源基地的柔性直流送出系统，MMC直流输电应用于海上风电场接入电网，MMC直流电网的电压控制原理与暂态故障特性，高压直流断路器的基本原理和实现方法，新能源基地全直流集电和并网系统，MMC直流换流站的绝缘配合设计，MMC的电磁暂态快速仿真方法等。第三大板块是基于子模块级联型换流器的柔性交流输电系统的原理和应用，内容包括模块化多电平矩阵变频器（M3C）的原理和控制策略，基于M3C的海上风电场低频交流送出系统原理，基于MMC的统一潮流控制器（UPFC）原理，子模块级联型静止同步补偿器（STATCOM）原理等。本书适合从事新型电力系统科研、规划、设计、运行以及柔性输电装备研发的高级工程技术人员和高等学校电气工程学科的教师与研究生阅读。
1）以浙江大学交直流输配电研究团队的深厚科研积累为根基，系统构建柔性输电理论与应用体系。2）书中深度解析子模块级联型换流器技术，从新型电力系统基础理论，到柔性直流输电系统的原理与应用，再到基于子模块级联型换流器的柔性交流输电系统的原理与应用，展现技术从理论到实践的完整脉络。3）书中内容融汇科学研究与行业最新发展，兼具学术深度与工程指导价值。其跨学科视角与系统性架构，为电力系统研究者与工程师提供权威参考，对推动新型电力系统建设及清洁能源并网具有重要意义，是电力科技领域的理论创新与实践指导典范之作。
不管是柔性直流输电技术还是柔性交流输电技术，发展到今天，其共同的核心技术都是子模块级联型换流器技术。可以说，子模块级联型换流器技术为电网一次系统的柔性化铺平了道路，是新型电力系统的基本支撑技术，在我国具有十分广阔的应用前景。子模块级联型换流器技术目前已趋于成熟，业界迫切需要一本反映此领域最新技术水平的学术专著，本书正是在这样的背景下撰写的。本书的学术贡献主要体现在如下几个方面。第一，本书创造了一系列新的技术概念。例如，针对电压源换流器（VSC）与交流电网之间的同步控制问题，本书按照同步控制方法所基于的物理媒介，即换流器交流母线PCC上可直接测量的4个物理量以及VSC的直流侧电压，将既有的同步控制方法统一归类为5个大类，分别为基于PCC瞬时电压的锁相环（PLL），包括SRFPLL和DDSRFPLL；基于PCC有功功率的功率同步环（PSL）；基于VSC直流侧电压的直流电压同步环（VSL）；基于PCC无功功率的无功功率同步环（QSL）；基于PCC瞬时电流的电流同步环（CSL）。针对目前业界关于构网型VSC与跟网型VSC定义不明确、逻辑不严密的问题，本书根据VSC能否独立确立全网频率对VSC的类型进行了重新划分并给出了明确的定义。本书将VSC与所接入电网之间的相互作用关系定义为两种基本类型，分别为电网构造型（Grid Forming）VSC和电网支撑型（Grid Supporting）VSC。其中，电网构造型VSC本书也称其为“构网电源（Grid Forming Source）”，包含4层含义：第1层含义是构网电源为无源电网或新能源基地电网的功率平衡电源，其在交流侧的行为与交流电网潮流计算中的“平衡节点”完全一致，其在直流侧的表现则为直流侧电压Udc恒定，但Udc恒定不是构网电源本身实现的，而是由直流电网中的其他电源或者储能装置实现的；第2层含义是当VSC作为构网电源时，其采用的控制模式为f/V控制模式；第3层含义是构网电源的运行频率决定了无源电网或新能源基地电网的运行频率；第4层含义是构网电源的电压幅值在很大程度上决定了无源电网或新能源基地电网的运行电压。本书将接入有源交流电网且采用同步控制的所有VSC统称为电网支撑型VSC，其包含4种子类型，分别为电压支撑型VSC、频率支撑型VSC、电压与频率全支撑型VSC，以及电压与频率零支撑型VSC；并将电压与频率零支撑型VSC称为电网跟随型（Grid Following）VSC。针对“宽频振荡”定义模糊问题，本书明确给出了电力系统谐振稳定性的定义。当电力系统遭受扰动后，必然进入电磁暂态振荡过程，其电压、电流响应中除了基波频率的强制分量外，还包含有以“固有谐振频率”振荡的自由分量。本书将这种以“固有谐振频率”振荡的自由分量的衰减特性定义为电力系统谐振稳定性。如果所有以“固有谐振频率”振荡的自由分量都是衰减的，则称电力系统是谐振稳定的，否则就称电力系统是谐振不稳定的。针对基于阻抗模型分析电力系统谐振稳定性问题的做法，本书明确提出了两种不同性质的增量线性化模型，即基于泰勒级数展开的增量线性化模型与基于傅里叶级数展开的增量谐波线性化模型。强调了谐波线性化方法的基本原理是使非线性装置线性化后的数学模型满足线性时不变（LTI）模型的频率保持特性，即单一频率激励产生同一频率响应的特性。并在此基础上以非线性电阻元件为例，证明了在直流工作点上，基于泰勒级数展开的增量线性化模型与基于傅里叶级数展开的增量谐波线性化模型是一致的；而在交流稳态工作点上，基于泰勒级数展开的增量线性化模型与基于傅里叶级数展开的增量谐波线性化模型是不一致的。本书强调了基于LTI系统理论分析电力系统的谐振稳定性时，电力电子装置的线性化模型应采用基于傅里叶级数展开的增量谐波线性化模型，即采用双输入描述函数法所导出的增量谐波线性化模型。本书指出了目前基于阻抗模型分析电力系统谐振稳定性的两难困境，分别为“削足适履”困境和“走断头路”困境。所谓“削足适履”困境，指的是为了满足LTI模型单一频率激励产生同一频率响应的要求，采用双输入描述函数法导出电力电子装置的LTI增量阻抗模型时必须舍去非高次谐波分量，从而使LTI增量阻抗模型的精度受到了实质性的损伤，导致基于LTI增量阻抗模型采用LTI系统理论进行电力系统谐振稳定性分析的结果变得不可靠。所谓“走断头路”困境，指的是尽管可以推导出精度较高的电力电子装置频率耦合阻抗（或导纳）模型，但频率耦合阻抗（或导纳）模型不是LTI模型，因而不能将频率耦合阻抗模型与其他元件的LTI模型联接在一起，应用LTI系统理论来分析整个系统的稳定性。基于频率耦合阻抗（或导纳）模型，目前并没有可用的数学工具来进一步分析整个系统的谐振稳定性，即在推导出了频率耦合阻抗（或导纳）模型后就无路可走了。本书提出的其他新技术概念还包括：非同步机电源；时域运算模型；同步控制环的抗电压扰动能力；同步控制环的抗频率扰动能力；根据同步控制方法和VSC外部特性双要素的VSC分数格式控制模式命名方法；全能型静止同步机；目标同步机；交直流双侧故障隔离；等效惯量提升因子；稳态频率偏差下降因子；关键性谐振模态；电压韧度；容量短路比、阻抗短路比、电压刚度、多馈入电压刚度、多馈入阻抗短路比；基于电压支撑强度不变的新能源基地电网等效简化方法等。第二，本书比较完美地阐释了学习和应用子模块级联型换流器技术中所遇到的众多难点问题。包括：MMC的实时触发模式；MMC数学模型的双模分量描述法及其解耦特性；基于逐次逼近法的MMC稳态数学模型解析推导方法；MMC的交流侧基频等效电路与调制比的定义；MMC直流侧与交流侧阻抗的定义；等容量放电时间常数的意义；相单元串联谐振角频率的意义；SRFPLL的最优参数设计；PSL的最优参数设计；QSL的最优参数设计；QSL同时实现同步控制与无功功率均摊的原理；MMC的双模双环控制器设计；MMC的环流抑制控制；二次谐波电流注入控制的原理与特性；零序三次谐波电压注入控制的原理与特性；同时实现恒定无功功率和恒定电压控制的外环控制器；基于DDSRF的通用瞬时正、负序分量分解方法；交流电网电压不平衡和畸变时MMC的双模双环双序控制器设计；MMC作为无源电网或新能源基地电网构网电源时的定交流电压幅值差模单环控制器设计原理与高电压韧度实现方法；基于各种排序算法的子模块电容电压平衡策略；基于s域运算电路模型的MMC直流侧短路电流计算方法；FHMMC的防直流电流断流控制器和防输出功率堵塞控制器设计原理；大规模新能源基地的3种LCCMMC串联型柔性直流输电送出系统结构；应用于大规模新能源基地送出的LCCMMC送端站的控制策略；海上风电送出的10种典型方案及其技术经济特点；直流电网一次调压与二次调压的协调控制方法；MMC直流电网的2种故障处理方法；高压直流断路器开断直流电流的2条基本途径；组合式多端口高压直流断路器实现原理；大规模新能源基地全直流汇集与送出系统的关键技术；全能型静止同步机的实现原理与应用技术；MMC直流换流站绝缘配合设计原则；M3C子模块电容电流与电容电压集合平均值的解析推导方法；M3C控制器设计原理；基于MMC的UPFC的控制器设计原理；星形接线子模块级联型STATCOM在交流电网电压平衡和不平衡时的控制器设计原理；三角形接线子模块级联型STATCOM在交流电网电压平衡和不平衡时的控制器设计原理；STATCOM同时实现动态无功补偿和有源滤波的原理；基于分块交接变量方程法的MMC快速仿真总体思路；子模块戴维南等效快速仿真方法；桥臂戴维南等效快速仿真方法；s域节点导纳矩阵法的两阶段实现原理；谐波线性化方法的基本原理与实现方法；基于双输入描述函数法的增量谐波线性化模型推导方法；频率耦合阻抗模型的推导方法与基本性质。第三，本书基于扎实的推导和仿真，对一批业界流行的学术观点提出了质疑，并给出了作者的观点：1）本书将电力电子技术领域广泛使用的用于描述算法原理的框图称为“时域运算模型”。以往这种描述算法原理的框图并没有一个合适的名称，容易被误解为是控制理论中的传递函数框图。事实上，这种描述算法原理的框图并不是控制理论意义上的传递函数框图，控制理论意义上的传递函数是在s域中的函数，不是时域函数；而这种描述算法原理的框图首先是时域中的模型，与s域中的函数没有任何关系，这种框图中的符号“s”仅仅用来表示微分和积分运算的算子符号。故拉普拉斯变换的相关定理对时域运算模型并不适用。2）以往文献认为SRFPLL是全局渐近稳定的，而本书用一个具体实例证明了SRFPLL是非全局渐近稳定的。3）之前有文献提出了基于VSC直流侧电容动态特性实现同步控制的方法，即本书所称的VSL；本书证明了VSL因其抗电压扰动能力和抗频率扰动能力都极弱，不太可能在实际电网中应用。4）基于耦合振子同步机制的CSL是当前的一大研究热点，业界对此种同步机制寄予了很高的期望。但本书通过一个简单的双机系统实例，证明了CSL不具备有功功率和无功功率的控制能力，因而不太可能在实际工程中得到应用。5）业界普遍认为基于PLL的同步控制方法在强系统下有很好的性能；而基于PSL的同步控制方法比较适合于弱系统，在强系统下会发生振荡。本书通过数学推导和仿真验证，证明不管是基于PLL的同步控制方法还是基于PSL的同步控制方法，都能在强系统和弱系统下展现出很好的性能。基于PSL的同步控制方法在强系统下发生振荡的原因是阻尼系数采用了弱系统条件下设计的参数所致；而PLL在弱系统下会失锁的原因是VSC在弱系统下的控制策略不合适所致。6）对于远距离架空线路柔性直流输电系统，当采用具有直流侧故障自清除能力的换流器实现直流线路故障清除时，一种可能的方案是采用全桥半桥混合型MMC，即采用FHMMC。在采用FHMMC的条件下，有2种直流线路故障清除方案，一种是通过子模块闭锁清除直流侧故障方案；另一种是将故障电流直接控制到零的直流侧故障清除方案。对于这2种直流侧故障清除方案，本书的论证结论是应采用子模块闭锁方案且全桥子模块比例取50%。理由如下：①当FHMMC的全桥子模块比例为50%时，采用子模块闭锁方案可以十分有效地清除直流侧故障，故障清除时间很短，典型值小于15ms；故障清除后的子模块电容过电压水平不高，在13倍左右；相比于直接故障电流控制方案，子模块闭锁方案优势明显。②若采用直接故障电流控制方案清除直流侧故障，为了达到与子模块闭锁方案相同的直流侧故障清除时间（15ms），需要的全桥子模块比例将远远大于50%，典型值为75%；代价是大大增加了投资成本和运行成本，因此其合理性存疑。采用直接故障电流控制方案的主要依据是如下3点：①在清除直流侧故障期间可以对交流电网进行一定的无功支撑；②直流侧故障清除后子模块几乎不存在过电压；③由于子模块电容电压相对均衡，便于直流系统重新启动恢复送电。上述3个依据不够充分的理由如下：①直流侧故障清除期间对交流电网进行无功支撑，其必要性存疑；②子模块设计时已经考虑了一定的过电压耐受能力，13倍的过电压水平是可以接受的，追求直流侧故障清除后不存在过电压问题，其必要性存疑；③子模块电容电压不均衡不会妨碍直流系统重新启动恢复送电，FHMMC在恢复控制后子模块电容电压会很快得到均衡，因此追求直流侧故障清除后子模块电容电压相对均衡，其必要性存疑。总之，为了采用直接故障电流控制方案，需要大大提高FHMMC中的全桥子模块比例，在达到与子模块闭锁方案相同的故障清除时间的条件下，全桥子模块比例需要增加到75%，大大增加了FHMMC的投资成本和运行成本，而获得的效益几乎可以忽略不计。因此在选择直流侧故障清除控制方案时，不推荐采用直接故障电流控制方案。7）本书证明了在新型电力系统中，容量短路比完全失去了刻画电力系统电压支撑强度的指标作用，已不再适用；相反，阻抗短路比在新型电力系统中仍然适用，且其数值所指示的系统强度保持其原始的意义。1992年CIGRE和IEEE联合工作组提出的短路比概念是基于短路容量来定义的，也就是本书所称的容量短路比。当电网中只有同步机电源时，容量短路比与阻抗短路比是完全一致的，因为同步机的短路电流完全由其阻抗决定，不存在限幅环节。但对于非同步机电源，容量短路比与阻抗短路比两者是完全不同的。对于非同步机电源，由于短路电流有限幅环节的作用，用短路容量来定义短路比是没有意义的；即对于非同步机电源，短路容量并不能表征其维持接入点电压模值接近于接入点空载电压的能力。8）本书对基于序网模型分析谐振稳定性的正当性提出了质疑。以往有基于序网模型对交流电网谐振稳定性进行分析的做法，比如采用阻抗模型分析谐振稳定性时，通常是基于交流电网的序阻抗模型进行分析的。但本书基于谐振稳定性的定义，认为基于序网阻抗模型分析谐振稳定性是不合适的。第四，本书在新型电力系统学术研究的方法上，也有一个重要创新。本书大量使用了直接求解系统微分代数方程组的方法来研究一定规模的系统问题，克服了解析分析只能应用于很低阶的系统而仿真方法机理展示不直接的缺陷，为新型电力系统的研究提供了一种新的技术手段。本书总结了浙江大学交直流输配电研究团队在柔性输电领域的工作积累，是本研究团队共同努力的结晶。特别感谢黄莹、王国腾、徐雨哲、徐文哲、金砚秋等团队成员在本书写作过程中所做的工作。与本书相关的研究工作得到了国家自然科学基金项目（批准号：U24B2089）的资助，在此表示感谢。本书对业界普遍关注的一些技术问题给出了鲜明的学术观点，但学术观点需要时间和实践的检验；另外，限于作者水平，书中难免存在错误和不妥之处，真诚欢迎广大读者批评指正。本书的视频教程将在B站UP主“徐政讲直流输电”发布，作者联系邮箱：xuzheng007@zjueducn。
徐政电力系统专家，1962年9月出生于浙江海宁。浙江大学二级教授，国际电气与电子工程师协会会士（IEEE Fellow），电力科学技术杰出贡献奖获得者，爱思唯尔中国高被引学者，入选全球前2%顶尖科学家终身科学影响力排行榜。作为浙江大学直流输电研究团队的学术带头人，在直流输电系统原理、成套设计和交直流电力系统规划等方面取得了一系列创新成果，产生了巨大的经济效益和社会效益，在国内外具有重要的学术影响力，为推动直流输电事业的发展作出重大贡献。于1983、1986和1993年分别在浙江大学电机系获学士、硕士和博士学位。主要研究领域为大规模交直流电力系统分析、直流输电与柔性交流输电、新能源发电与并网技术、电力谐波与电能质量等。 出版专著2部、译著12部，荣获机械工业出版社建社60周年“最具影响力作者”（2012） 和建社70周年“百佳作译者”（2022）称号；专著《柔性直流输电系统》获《中国高被引图书年报》2012-2016期间电工技术类高被引图书第一名。发表论文600余篇，其中单篇最高SCI引用数超过1000次。2011年获国家科技进步一等奖1项，1997年获国家自然科学三等奖1项。已培养全日制研究生129人，其中获博士学位51人、硕士学位78人。 担任直流输电技术全国重点实验室学术委员会委员、中国南方电网公司专家委员会委员、13种电工领域学术期刊编委。负责完成国家自然科学基金项目“输电与联网中的多直流落点问题及其对策”和“含多个换流站的电力网中的交直流系统相互作用特性研究”等多个重要项目。
首字母缩略词汇总符号说明第1章基于子模块级联型换流器的柔性输电技术的特点与应用111柔性输电技术的定义112柔性直流输电技术的发展过程及其特点113柔性直流输电应用于点对点输电614柔性直流输电应用于背靠背异步联网715柔性直流输电应用于背靠背异同步分网和类同步控制716柔性直流输电应用于构建直流电网817基于子模块级联型换流器的柔性交流输电技术918小结9参考文献9第2章MMC基本单元的工作原理1221MMC基本单元的拓扑结构1222MMC的工作原理13221子模块工作原理13222三相MMC工作原理1523MMC的调制方式17231调制问题的产生17232调制方式的比较和选择17233MMC中的最近电平逼近调制19234MMC中的输出波形2024MMC的解析数学模型与稳态特性21241MMC数学模型的输入输出结构21242基于开关函数的平均值模型23243MMC的微分方程模型24244推导MMC数学模型的基本假设25245MMC数学模型的解析推导25246解析数学模型验证及MMC稳态特性展示3225MMC的交流侧外特性及其基波等效电路3826MMC输出交流电压的谐波特性及其影响因素38261MMC电平数与输出交流电压谐波特性的关系39262电压调制比与输出交流电压谐波特性的关系39263MMC运行工况与输出交流电压谐波特性的关系40264MMC控制器控制频率与输出交流电压谐波特性的关系4027MMC的阻抗频率特性41271MMC的直流侧阻抗频率特性42272MMC的交流侧阻抗频率特性44273MMC的阻抗频率特性实例4528MMC换流站稳态运行范围研究47281适用于MMC换流站稳态运行范围研究的电路模型47282MMC接入有源交流系统时的稳态运行范围算例48283MMC向无源负荷供电时的稳态运行范围算例50参考文献51第3章MMC基本单元的主电路参数选择与损耗计算5331引言5332桥臂子模块数的确定原则5433MMC控制频率的选择原则54331电平数与控制频率的基本关系54332两个临界控制频率的计算5534联接变压器电压比的确定方法5635子模块电容参数的确定方法58351MMC不同运行工况下电容电压的变化程度分析58352电容电压波动率的解析表达式58353子模块电容值的确定原则60354描述子模块电容大小的通用指标——等容量放电时间常数60355子模块电容值的设计实例61356子模块电容值设计的一般性准则62357子模块电容稳态电压参数计算63358子模块电容稳态电流参数的确定63359子模块电容稳态电压和电流参数计算的一个实例6336子模块功率器件稳态参数的确定方法66361IGBT及其反并联二极管稳态参数的确定66362子模块功率器件稳态参数计算的一个实例66363子模块功率器件额定参数的选择方法6837桥臂电抗器参数的确定方法68371桥臂电抗器作为连接电抗器的一个部分68372桥臂电抗值与环流谐振的关系70373桥臂电抗器用于抑制直流侧故障电流上升率71374桥臂电抗器用于限制交流母线短路故障时桥臂电流上升率73375桥臂电抗器参数确定方法小结74376桥臂电抗器稳态电流参数的确定74377桥臂电抗器稳态电压参数的确定74378桥臂电抗器稳态参数计算的一个实例7438平波电抗值的选择原则7439MMC阀损耗的组成及评估方法概述75391MMC阀损耗的组成76392MMC阀损耗的评估方法78310基于分段解析公式的MMC阀损耗评估方法783101通态损耗的计算方法793102必要开关损耗的计算方法803103附加开关损耗的估计方法813104阀损耗评估方法小结823105MMC阀损耗评估的实例82参考文献85第4章电压源换流器与交流电网之间的同步控制方法8641同步控制方法的5种基本类型8642基于q轴电压为零控制的同步旋转参考坐标系锁相环（SRFPLL）原理和参数整定87421SRFPLL的模型推导87422SRFPLL的基本锁相特性展示90423输入信号幅值变化对SRFPLL锁相特性的影响91424系统频率变化对SRFPLL锁相特性的影响91425SRFPLL的非全局稳定特性92426SRFPLL的小信号模型与参数整定9343基于q轴电压为零控制的双同步旋转参考坐标系锁相环（DDSRFPLL）原理与设计94431瞬时对称分量的定义94432SRFPLL存在的主要问题96433DDSRFPLL的基本原理97434基于二阶Butterworth滤波器的LPF实现方法9944基于恒定功率控制的功率同步环（PSL）的原理和参数整定101441基于恒定功率控制的PSL的模型推导101442PSL的参数整定105443按单机无穷大系统设计的PSL对系统频率变化的适应性分析107444按单机无穷大系统设计的PSL对系统电压跌落的适应性分析10945基于恒定直流电压控制的电压同步环（VSL）推导和参数整定109451基于恒定直流电压控制的VSL推导109452基于恒定直流电压控制的VSL参数整定111453基于恒定直流电压控制的VSL的响应特性分析112454按单机无穷大系统设计的VSL对系统频率变化的适应性分析115455按单机无穷大系统设计的VSL对系统电压跌落的适应性分析11746基于恒定无功功率控制的无功同步环（QSL）推导和参数整定117461基于恒定无功功率控制的QSL推导117462基于恒定无功功率控制的QSL的参数整定121463QSL的控制性能展示12147基于耦合振子同步机制的电流同步环（CSL）的推导和参数整定124471基于耦合振子同步机制的电流同步控制基本思路124472CSL的数学模型124473CSL的空载特性126474单换流器电源带孤立负荷时CSL的带载特性127475电流耦合强度改变对CSL输出特性的影响129476双换流器电源带公共负荷时CSL的耦合同步特性130477CSL1电流耦合强度变化对VSC1输出功率的影响132478基于CSL耦合强度的定有功功率控制特性134479基于CSL输出电压旋转和伸缩的定有功功率和定无功功率控制特性137485大类同步控制方法的适应性和性能比较140参考文献141第5章MMC柔性直流输电系统的控制策略14451电压源换流器控制的要素及其分类14452同步旋转坐标系下MMC的数学模型148521差模电压与阀侧电流的关系149522共模电压与内部环流的关系15153基于PLL的MMC双模双环控制器设计153531差模内环电流控制器的阀侧电流跟踪控制154532共模内环电流控制器的内部环流跟踪控制156533基于差模和共模两个内环电流控制器的桥臂电压指令值计算公式157534差模外环控制器的有功类控制器设计158535差模外环控制器的无功类控制器设计158536共模外环控制器的环流抑制控制159537共模外环控制的电容电压波动抑制控制159538双模双环控制器性能仿真测试160539环流抑制控制与子模块电容电压波动抑制控制的对比16354零序3次谐波电压注入提升MMC性能的原理及其适用场合165541零序电压注入对控制效果的影响分析166542如何选取待注入的零序电压166543零序3次谐波电压注入仿真展示169544注入零序3次谐波电压后MMC的性能提升分析171545注入零序3次谐波电压后可能引起的不利方面171546零序3次谐波电压注入策略的适用场合17155交流电网电压不平衡和畸变条件下MMC的控制器设计171551基于DDSRF的瞬时对称分量分解方法172552电网电压不平衡和畸变情况下MMC的控制方法174553仿真验证17856交流电网平衡时基于PSL的MMC控制器设计181561基于PSL的定PCC电压幅值控制器设计181562基于PSL的定无功功率控制器设计182563仿真验证18357基于PLL与基于PSL的控制器性能比较18358PLL失锁因素分析及性能提升方法189581PLL失锁因素分析189582克服锁相环失锁的方法191583对PLL与PSL选择的一般性建议19459MMC作为无源电网或新能源基地电网构网电源时的控制器设计195591MMC作为无源电网或新能源基地电网构网电源时控制器设计的根本特点195592测试系统仿真197510电压韧度的定义及其意义199参考文献200第6章MMC中的子模块电容电压平衡策略20261子模块电容电压平衡控制202611基于完全排序与整体参与的电容电压平衡策略203612基于按状态排序与增量投切的电容电压平衡策略205613采用保持因子排序与整体投入的电容电压平衡策略207614电容值不同时对子模块电容电压平衡控制的影响209615电容电压平衡策略小结20962MMC动态冗余与容错运行控制策略211621设计冗余与运行冗余的基本概念211622MMC动态冗余与容错运行控制策略的基本思想213623MMC动态冗余与容错运行控制策略的实现方法214624MMC动态冗余与容错运行稳态特性仿真实例214625MMC动态冗余与容错运行动态特性仿真实例21563MMCHVDC系统的启动控制217631MMC的预充电控制策略概述217632子模块闭锁运行模式218633直流侧开路的MMC不控充电特性分析219634直流侧带换流器的不控充电特性分析220635限流电阻的参数设计221636MMC可控充电实现途径222637MMC启动过程仿真验证22264MMCHVDC系统停运控制224641能量反馈阶段225642可控放电阶段225643不控放电阶段226644MMC正常停运过程仿真验证227参考文献228第7章MMC的交直流侧故障特性分析与直流侧故障自清除22971引言22972交流侧故障时MMC提供的短路电流特性230721故障回路的时间常数分析与MMC短路电流大小的决定性因素230722交流侧对称故障时MMC提供的短路电流特性230723交流侧不对称故障时MMC提供的短路电流特性23173直流侧故障时由半桥子模块构成的HMMC的短路电流解析计算方法232731触发脉冲闭锁前的故障电流特性232732触发脉冲闭锁后的故障电流特性238733仿真验证240734直流侧短路后MMC的闭锁时刻估计243735直流侧短路电流闭锁后大于闭锁前的条件分析24474FMMC直流侧故障的子模块闭锁自清除原理244741全桥子模块的结构和工作原理244742基于子模块闭锁的FMMC直流侧故障自清除原理24775CMMC直流侧故障的子模块闭锁自清除原理25076FHMMC直流侧故障的子模块闭锁自清除原理252761全桥半桥子模块混合型MMC的拓扑结构252762FHMMC通过子模块闭锁实现直流侧故障自清除的条件252763FHMMC通过子模块闭锁清除直流侧故障引起的子模块过电压估算255764FHMMC通过子模块闭锁清除直流侧故障的过程持续时间估算256773种具有直流侧故障自清除能力的MMC的共同特点与成本比较2577713种具有直流侧故障自清除能力的MMC的共同特点2577723种具有直流侧故障自清除能力的MMC的投资成本比较2577733种具有直流侧故障自清除能力的MMC的运行损耗比较258774小结25978FHMMC降直流电压运行原理259781FHMMC降直流电压运行受全桥子模块占比的约束259782FHMMC降直流电压运行受半桥子模块电容电压均压的约束26079FHMMC直流侧故障的直接故障电流控制清除原理262791FHMMC清除直流侧故障的控制器设计262792FHMMC直接故障电流控制下的故障电流衰减特性实例263710FHMMC采用子模块闭锁与直接故障电流控制清除直流侧故障的性能比较264711对具有直流侧故障自清除能力的MMC的推荐结论266参考文献267第8章适用于架空线路的柔性直流输电系统26881引言26882跳交流侧开关清除直流侧故障的原理和特性269821交流侧开关跳开后故障电流的变化特性分析269822仿真验证27083LCC二极管MMC混合型直流输电系统运行原理270831拓扑结构与运行原理270832交流侧和直流侧故障特性分析27184LCCFHMMC混合型直流输电系统运行原理279841LCCFHMMC混合系统中对FHMMC的控制要求280842送端交流电网故障时FHMMC的控制策略281843受端交流电网故障时FHMMC的控制策略281844LCCFHMMC混合型直流输电系统中FHMMC的总体控制策略282845测试系统仿真验证28485LCCMMC串联混合型直流输电系统289851拓扑结构289852基本控制策略289853针对整流侧交流系统故障的控制策略290854针对逆变侧交流系统故障的控制策略291855针对直流侧故障的控制策略292856交流侧和直流侧故障特性仿真分析294参考文献301第9章适用于大规模新能源基地送出的柔性直流输电系统30391引言30392直流输电应用于输送大规模新能源时的技术要求303921锁相同步型与功率同步型新能源基地的不同特性303922直流输电应用于输送大规模新能源时必须考虑的技术因素30493LCCMMC串联混合型直流输电系统结构及其控制策略304931LCCMMC串联混合型直流输电系统基本控制策略306932对送端新能源基地电压构造能力的仿真验证307933送端新能源基地交流电网故障时的系统稳定性仿真验证308934受端交流电网故障时的系统稳定性仿真验证308935架空线路故障清除技术仿真验证309936LCCMMC串联混合型直流输电系统送端电网启动策略仿真验证31094LCCMMC加DMMC混合型直流输电系统结构及其控制策略312941LCCMMC加DMMC混合系统基本控制策略313942LCCMMC加DMMC混合型直流输电系统特性的仿真验证31395LCCMMC加FHMMC混合型直流输电系统结构及其控制策略316951LCCMMC加FHMMC混合系统基本控制策略317952LCCMMC加FHMMC混合型直流输电系统运行特性分析31796适用于大规模新能源基地送出的3种混合型直流输电拓扑比较317参考文献318第10章海上风电送出的典型方案与MMC的应用320101引言320102工频锁相同步型风电机组海上风电场交流送出方案321ⅩⅩⅨⅩⅩⅩ103低频锁相同步型风电机组海上风电场低频交流送出方案322104工频锁相同步型风电机组海上风电场全MMC直流送出方案323105工频锁相同步型风电机组海上风电场DRU并联辅助MMC直流送出方案324106工频锁相同步型风电机组海上风电场DRU串联辅助MMC直流送出方案326107中频锁相同步型风电机组海上风电场全MMC直流送出方案327108低频无功功率同步型风电机组海上风电场低频交流送出方案328109中频无功功率同步型风电机组海上风电场全DRU整流直流送出方案3301010直流端口型风电机组并联后经直流变压器升压的海上风电场直流送出方案3311011直流端口型风电机组相互串联升压的海上风电场直流送出方案3321012典型方案的技术特点汇总3331013工频锁相同步型风电机组海上风电场全MMC直流送出方案仿真测试3351014工频锁相同步型风电机组海上风电场DRU并联辅助MMC直流送出方案仿真测试33910141风速波动时的响应特性34010142海上交流系统短路故障时的响应特性34210143陆上交流电网短路故障时的响应特性3441015中频无功功率同步型风电机组海上风电场全DRU整流直流送出方案仿真测试34510151风速阶跃仿真结果34610152海上交流系统故障仿真结果347参考文献348第11章MMC直流电网的控制原理与故障处理方法350111引言350112直流电网电压控制的3种基本类型351113主从控制策略3521131基本原理3521132仿真验证353114直流电压裕额控制策略3561141基本原理3561142直流电压裕额控制器的实现原理3571143直流电压裕额控制策略的仿真验证359115直流电网的一次调压与二次调压协调控制方法3621151基本原理3621152带电压死区的电压下斜控制特性3631153带电压死区的电压下斜控制器实现方法3641154二次调压原理3641155直流电网一次调压与二次调压协调控制方法的仿真验证364116直流电网的潮流分布特性及潮流控制器3681161直流电网的潮流分布特性3681162模块化多电平潮流控制器369117直流电网的短路电流计算方法3711171直流电网短路电流计算的叠加原理3711172采用叠加原理计算故障电流的仿真验证373118MMC直流电网的两种故障处理方法373参考文献374第12章高压直流断路器的基本原理和实现方法376121直流电网的两种构网方式与直流断路器的两种基本断流原理3761211直流电网的两种构网方式3761212直流断路器的两种基本断流原理376122基于串入无穷大电阻的高压直流断路器3771221串入无穷大电阻断流法的基本原理3771222基于串入无穷大电阻原理已经得到应用的技术方案3791223基于串入无穷大电阻原理的其他技术方案381123基于串入电容的高压直流断路器3811231串入电容断流法的基本原理3811232基于串入电容原理已经得到应用的技术方案3831233单支路结构串入电容型直流断路器3841234双支路结构串入电容型直流断路器3851235三支路结构串入电容型直流断路器386124组合式多端口高压直流断路器3881241组合式多端口高压直流断路器结构3881242组合式多端口高压直流断路器工作原理3901243续流支路采用晶闸管阀与续流二极管阀并联的组合式多端口高压直流断路器仿真验证3901244续流支路只采用续流二极管阀的组合式多端口高压直流断路器仿真验证397125典型高压直流断路器的经济性比较3991251两端口高压直流断路器的经济性比较3991252组合式多端口高压直流断路器的经济性比较400参考文献401第13章大规模新能源基地全直流汇集与送出系统403131新能源基地外送发展方式的3个阶段及其特点403132新能源基地全直流汇集系统结构4051321光伏阵列及其出口Boost变换器拓扑4071322中压直流汇集系统4081323中压直流汇集系统电压选择4091324中压直流变压器方案409133大规模新能源基地送出的高压与特高压直流系统4101331模块化多电平高压直流变压器4101332特高压直流变压器411134全直流汇集与送出系统的接地方案411135全直流汇集与送出系统的直流电压控制策略412136大规模新能源基地全直流汇集与送出系统实例仿真4121361实例系统结构4121362光伏集群功率阶跃变化时的系统响应特性4131363受端交流系统故障时的系统响应特性4131364±800kV特高压直流线路单极短路故障时的系统响应特性4141365±250kV高压直流线路单极短路故障时的系统响应特性416参考文献417第14章基于MMC的全能型静止同步机原理与应用418141全能型静止同步机的典型结构与基本特性418142仅交流侧并网的全能型静止同步机实现原理4201421基于目标同步机的VSSM实现原理4201422VSSM原理与性能的仿真测试420143接入直流电网的全能型静止同步机的控制原理与性能4221431接入直流电网的VSSM的控制策略4221432接入直流电网的VSSM的双侧故障隔离功能4231433实现双侧故障隔离VSSM主体控制策略4241434储能装置的典型结构和技术要求4251435储能装置控制器设计4261436VSSM在交直流侧故障时的双侧故障隔离实例426参考文献431ⅩⅩⅩⅠⅩⅩⅩⅡ第15章MMC直流换流站的绝缘配合设计432151引言432152金属氧化物避雷器的特性432153MMC换流站避雷器的布置434154金属氧化物避雷器的参数选择436155两端MMCHVDC换流站保护水平与绝缘水平的确定4371551一般性原则4371552实例系统展示4371553避雷器的电压特性4391554需要考虑的各种故障4411555避雷器的参数选择4431556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4451557相关结论449156多端MMCHVDC系统共用接地点技术4491561仿真算例系统参数4501562共用接地点需考虑的因素4501563仿真结果及分析451157多端MMCHVDC系统过电压的研究4581571仿真算例系统参数4581572过电压计算考虑的因素4591573仿真结果及分析459参考文献464第16章基于M3C的低频输电系统466161低频输电的原理和适用场景466162M3C的数学模型4671621M3C标准结构和变量命名4671622M3C的基本数学模型推导468163M3C的等效电路475164M3C的稳态特性分析4761641M3C桥臂电流与输入侧和输出侧电流之间的关系4761642M3C子模块电容电流与电容电压的集合平均值478165M3C的主回路参数设计4821651M3C桥臂子模块数N的确定4821652子模块电容值的确定方法4831653桥臂电抗器参数设计4831654M3C的主回路参数设计实例4841655M3C低频侧频率选择对子模块电容值的影响486166M3C的控制器设计4871661M3C控制器设计的总体思路4871662输入侧控制器设计4891663输出侧控制器设计4911664环流抑制控制器设计4931665桥臂电压指令值的计算493167基于最近电平逼近调制的桥臂控制与子模块电压平衡策略494168海上风电低频送出测试系统仿真结果4951681额定工况下M3C子模块电容电压与开关频率4961682风功率变化时的仿真结果4961683海上风电场故障时的仿真结果497参考文献498第17章基于MMC的统一潮流控制器（UPFC）500171UPFC的基本原理500172基于MMC的UPFC的控制器设计5021721UPFC并联侧MMC的控制器设计5021722UPFC串联侧MMC的控制器设计502173基于MMC的UPFC的容量和电压等级确定方法5041731基于MMC的UPFC的容量确定方法5041732基于MMC的UPFC的电压等级确定方法505174基于MMC的UPFC的实例仿真505参考文献507第18章子模块级联型静止同步补偿器508181子模块级联型静止同步补偿器的接线方式508182星形接线STATCOM的数学模型509183交流电网平衡时星形接线STATCOM的控制器设计5101831内环电流控制器设计5101832外环子模块电容电压恒定控制器设计5111833外环无功类控制器设计512184交流电网电压不平衡和畸变条件下星形接线STATCOM的控制器设计512185星形接线STATCOM同时实现无功补偿和有源滤波的控制器设计515186星形接线STATCOM应用于SCCC的实例仿真5171861无功补偿性能5191862交流滤波性能5201863暂态性能522187三角形接线STATCOM的数学模型523188交流电网平衡时三角形接线STATCOM的控制器设计5261881差模内环电流控制器设计5261882差模外环子模块电容电压恒定控制器设计5271883差模外环无功类控制器设计5271884差模内环控制器电流指令值的转换5281885共模内环电流控制器设计5281886内环电流控制器的最终控制量计算528189交流电网电压不平衡和畸变条件下三角形接线STATCOM的控制器设计5291810STATCOM选择星形接线与三角形接线所考虑的因素531参考文献531第19章模块化多电平换流器的电磁暂态快速仿真方法532191问题的提出532192电磁暂态仿真的实现途径和离散化伴随模型533193基于分块交接变量方程法的MMC快速仿真方法总体思路535194子模块戴维南等效快速仿真方法5371941IGBT可控时桥臂的戴维南等效模型5371942IGBT闭锁时桥臂的戴维南等效模型5401943全状态桥臂等效模型5431944子模块戴维南等效快速仿真方法测试543195桥臂戴维南等效快速仿真方法5451951IGBT可控时桥臂戴维南等效模型的推导5451952IGBT闭锁时桥臂戴维南等效模型的推导5461953全状态MMC桥臂等效模型5461954桥臂戴维南等效快速仿真方法测试546196几种常用仿真方法的比较和适用性分析548参考文献548第20章电力系统强度的合理定义及其计算方法550201问题的提出550202电力系统强度的定义551203非同步机电源的分类和外部特性描述552204非同步机电源的运行状态及其外特性等效电路5532041正常态工况下非同步机电源的外特性等效电路5532042故障态工况下非同步机电源的外特性等效电路553205描述电力系统任意点电压支撑强度的短路比指标与电压刚度指标5532051经典短路比指标的两种表达形式5532052电压刚度指标的定义554ⅩⅩⅩⅢⅩⅩⅩⅣ2053阻抗短路比指标与电压刚度指标的比较555206电网中任意节点电压刚度与阻抗短路比的计算5562061电网中任意节点戴维南等效阻抗的计算原理5562062电压刚度与阻抗短路比计算实例15572063电压刚度与阻抗短路比计算实例25582064电压刚度与阻抗短路比计算实例3559207影响电压刚度和阻抗短路比的决定性因素560208新型电力系统背景下容量短路比与阻抗短路比的适用性分析560209提升电压支撑强度的控制器改造方法5632010基于电压支撑强度不变的新能源基地电网等效简化方法5632011多馈入电压刚度与多馈入阻抗短路比的定义和性质56420111多馈入电压刚度与多馈入阻抗短路比的定义56420112多馈入电压刚度与多馈入阻抗短路比的应用56620113新型电力系统背景下多馈入有效短路比的适用性分析5662012新型电力系统背景下频率支撑强度的定义与计算方法56720121非同步机电源的惯量与一次调频实现方式56720122非同步机电源惯量支撑强度的定义和计算方法56820123非同步机电源一次调频能力的定义和计算方法569参考文献570第21章电力系统谐振稳定性的定义与分析方法573211引言573212谐振稳定性的定义和物理机理5742121谐振稳定性的定义5742122谐振稳定性的物理机理5752123谐振稳定性的性质5762124“宽频谐振”与“宽频振荡”含义的差别576213s域节点导纳矩阵法的理论基础577214决定谐振模态阻尼的因素及弱阻尼系统基本特性578215s域节点导纳矩阵法的总体思路579216在无阻尼系统中实现第1阶段算法的过程5792161无阻尼系统的谐振模态结构5792162无阻尼系统的s域节点导纳矩阵的结构5802163谐振模态无阻尼谐振频率的计算方法5802164谐振模态的节点电压振型与节点参与因子的意义及其计算方法5802165实现第1阶段算法的实例展示583217在有阻尼的完整系统中实现第2阶段算法的过程5832171采用测试信号法的理论依据5832172测试信号法的具体实施示例5842173谐振模态阻尼值的灵敏度分析586218直流电网谐振稳定性分析实例587219s域节点导纳矩阵法总结5892110基于序网模型分析谐振稳定性的合理性探讨59021101问题的提出59021102谐振稳定性分析的网络模型选择问题探讨591参考文献592第22章基于阻抗模型分析电力系统谐振稳定性的两难困境594221引言594222电力电子装置的LTI阻抗模型与频率耦合阻抗模型5952221三相非线性电力装置的LTI阻抗定义5952222三相非线性电力装置的频率耦合阻抗模型定义595223基于简单测试系统的常用线性化方法特性分析5972231直流工作点上基于泰勒级数展开的增量线性化方法5972232直流工作点上基于傅里叶级数展开的增量谐波线性化方法5982233基于傅里叶级数展开的全量谐波线性化方法5982234交流稳态工作点上基于傅里叶级数展开的增量谐波线性化方法5992235交流稳态工作点上基于泰勒级数展开的增量线性化方法602224多频率耦合导纳模型的导出604225频率耦合阻抗模型的性质606226展示频率耦合阻抗模型不适用于谐振稳定性分析的案例607227小结与评述609参考文献611附录612附录A典型高压大容量柔性输电工程612A1南汇柔性直流输电工程612A2南澳柔性直流输电工程613A3舟山五端柔性直流输电工程614A4厦门柔性直流输电工程616A5鲁西背靠背柔性直流输电工程617A6张北柔性直流电网工程618A7昆柳龙±800kV特高压三端柔性直流工程619A8白鹤滩江苏±800kV特高压柔性直流工程620A9渝鄂背靠背柔性直流工程621A10粤港澳大湾区背靠背柔性直流工程621A11南京西环网UPFC工程622A12苏州南部UPFC工程623A13上海蕴藻浜UPFC工程624A14杭州低频输电工程625A15华能玉环2号海上风电场低频输电工程626参考文献627附录B高压大容量柔性输电工程分析与设计的工具628B1柔性直流输电基本设计软件ZJUMMCDP628B2柔性直流输电电磁暂态仿真平台ZJUMMCEMTP628B3低频输电电磁暂态仿真平台ZJUM3CEMTP介绍628B4通用电力网络谐振稳定性分析程序ZJUENRSA628
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