内容简介

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。

目录

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1

11柔性输电技术的定义1

12柔性直流输电技术的发展过程及其特点1

13柔性直流输电应用于点对点输电6

14柔性直流输电应用于背靠背异步联网7

15柔性直流输电应用于背靠背异同步分网和类同步控制7

16柔性直流输电应用于构建直流电网8

17基于子模块级联型换流器的柔性交流输电技术9

18小结9

参考文献9

第2章MMC基本单元的工作原理12

21MMC基本单元的拓扑结构12

22MMC的工作原理13

221子模块工作原理13

222三相MMC工作原理15

23MMC的调制方式17

231调制问题的产生17

232调制方式的比较和选择17

233MMC中的最近电平逼近调制19

234MMC中的输出波形20

24MMC的解析数学模型与稳态特性21

241MMC数学模型的输入输出结构21

242基于开关函数的平均值模型23

243MMC的微分方程模型24

244推导MMC数学模型的基本假设25

245MMC数学模型的解析推导25

246解析数学模型验证及MMC稳态特性展示32

25MMC的交流侧外特性及其基波等效电路38

26MMC输出交流电压的谐波特性及其影响因素38

261MMC电平数与输出交流电压谐波特性的关系39

262电压调制比与输出交流电压谐波特性的关系39

263MMC运行工况与输出交流电压谐波特性的关系40

264MMC控制器控制频率与输出交流电压谐波特性的关系40

27MMC的阻抗频率特性41

271MMC的直流侧阻抗频率特性42

272MMC的交流侧阻抗频率特性44

273MMC的阻抗频率特性实例45

28MMC换流站稳态运行范围研究47

281适用于MMC换流站稳态运行范围研究的电路模型47

282MMC接入有源交流系统时的稳态运行范围算例48

283MMC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53

31引言53

32桥臂子模块数的确定原则54

33MMC控制频率的选择原则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联接变压器电压比的确定方法56

35子模块电容参数的确定方法58

351MMC不同运行工况下电容电压的

变化程度分析58

352电容电压波动率的解析表达式58

353子模块电容值的确定原则60

354描述子模块电容大小的通用指标——等容量放电时间常数60

355子模块电容值的设计实例61

356子模块电容值设计的一般性准则62

357子模块电容稳态电压参数计算63

358子模块电容稳态电流参数的确定63

359子模块电容稳态电压和电流参数计算的一个实例63

36子模块功率器件稳态参数的确定方法66

361IGBT及其反并联二极管稳态参数的确定66

362子模块功率器件稳态参数计算的一个实例66

363子模块功率器件额定参数的选择方法68

37桥臂电抗器参数的确定方法68

371桥臂电抗器作为连接电抗器的一个部分68

372桥臂电抗值与环流谐振的关系70

373桥臂电抗器用于抑制直流侧故障电流上升率71

374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73

375桥臂电抗器参数确定方法小结74

376桥臂电抗器稳态电流参数的确定74

377桥臂电抗器稳态电压参数的确定74

378桥臂电抗器稳态参数计算的一个实例74

38平波电抗值的选择原则74

39MMC阀损耗的组成及评估方法概述75

391MMC阀损耗的组成76

392MMC阀损耗的评估方法78

310基于分段解析公式的MMC阀损耗评估方法78

3101通态损耗的计算方法79

3102必要开关损耗的计算方法80

3103附加开关损耗的估计方法81

3104阀损耗评估方法小结82

3105MMC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86

41同步控制方法的5种基本类型86

42基于q轴电压为零控制的同步旋转参考坐标系锁相环（SRFPLL）原理和参数整定87

421SRFPLL的模型推导87

422SRFPLL的基本锁相特性展示90

423输入信号幅值变化对SRFPLL锁相特性的影响91

424系统频率变化对SRFPLL

前言/序言

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SRFPLL和DDSRFPLL；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