1、第1章 绪论1.1 课题背景与意义因为传统能源储藏量不断减少，环境污染不断加剧，能源政策调整已在各国各地区普遍展开，基于可再生能源的清洁能源取代传统能源势在必行。上世纪末，旨在提高清洁能源消费比例的欧盟20:20:20计划已经制定完毕，该计划设立的目标是，和1990年相比，CO2排放量减少20；2020年可再生能源（以风电为主）至少占总能源消耗量的20；能效利用率增加20%1。SuperGrid等科研项目就此在欧盟全面启动，该项目意在完成泛欧洲的交直流混合输电网络构建，远距离传输风电、太阳能等可再生能源2。基于环境与能源技术的智能电网建设计划是美国政府的一种战略构想，其意同样如此 3。及至20
2、20年，风能、太阳能发电渗透率会增至25%4。中国地大物博，幅员辽阔，探测表明，全国可开采风能约2.53亿kW，太阳能资源和17000 亿t/年标准煤相当，可再生能源储量充足5-6。大型太阳能发电基地已在西藏、甘肃、宁夏等地陆续建成或已列入建设规划。太阳能资源、风能资源、煤炭资源、水力资源的综合开发将成中国发展的基本动力源。2020年，国内可再生能源比例预计增至34.1%，煤电比例会减少至59.5%。相关机构预测，2050年前，中国能源需求总量中的可再生能源占比可增至4045%。清洁能源（可再生能源等）将成一次能源的主体，电力将成二次能源的基础，新的能源格局会逐步形成。不过太阳能、风能是一种间
3、歇性电源，随机变化是其基本特征之一；而且从电力系统消纳能力上来看，浪费可再生能源现象比较突出。在大规模可再生能源接纳并网过程中，传统交流电网具有明显的电力设备、结构及运行控制技术等缺陷。目前需要重点解决的是基于新的运行技术、电力设备、电网结构实现新能源格局。理论界正在逐步聚焦直流输电技术。1.2 国内外研究概况与发展趋势1.2.1 电压源直流输电技术全球首条直流式输电线路于80年代初在法国建成，该线路为2kV输电线路，电能输送效率仅25%，电能浪费极为突出。输电电压等级低也在此且四十年内直接制约了直流输电技术发展。交流变压器问世后，交流输电技术就此成为各国各地区新宠。栅极可控汞弧阀技术于192
4、9年诞生，HVDC（High Voltage Direct Current transmission，高压直流输电技术）概念随之被瑞典学者正式提出，其实质上就是以汞弧阀换流器整流技术为基础把低压交流电向高压直流电整流。基于汞弧阀换流技术的第一座直流输电工程于1954年正式运行，该工程输电线路额定电压100kV、额定功率20MW，且包括一段海底直流电缆，也是实际工程应用HVDC的标志。及至1977年，基于汞弧阀换流技术的十二座直流工程开始在世界各地投入运行。1958年前后，晶闸管进入商业投入阶段；70年代投运的伊尔河直流输电工程（加拿大）也是基于晶闸管换流技术的直流输电工程在全球首次运行。微机继
5、电保护技术、光电传感技术等新技术加快了传统直流输电技术应用普及。晶闸管开关频率低、交流系统换相是其无法全面普及的主要原因。可关断电力电子器件研制成功后，加拿大学者于1990年提出了VSC-HVDC（Voltage Source Converter based HVDC，基于电压源型换流器的高压直流输电技术）。赫尔斯扬工程于90年代末投入运行，这是基于电压源型换流器的高压直流输电技术的全球首座试验性工程，额定直流电压10kV，额定功率3WM，PWM技术、IGBT控制阀及两电平三相桥结构为该线路的换流站采用，至此，电压源型直流输电技术首次完成实践应用，全控型电力电子器件及此类器件组成的换流器技术彼
6、此进入完善时期，直流输电技术再迎发展新机遇7。从基于电压源型换流器的高压直流输电技术灵活性特征出发，我国学者将其叫做HVDC-Flexible（柔性直流输电），此后，为区别于常规HVDC，我国学者又用电压源型HVDC来称呼基于电压源型换流器的高压直流输电技术，目前，各国对该技术并未形成统一命名。作为直流输电技术领域内的最新技术，电压源型HVDC的基本特征主要包括电压源换流器技术、全控型电子器件制造技术、脉冲宽度调制技术，优势比较突出：能独立控制无功功率、有功功率，没有无功补偿需要；占地面积不大，模块化易实现；即便无站间通信也可独立运行、控制各换流站；能直接供电给无源交流系统而无需交流系统支持换
7、相；能基于不同调制技术将交流输出（接近正弦波）产生而无需过大的滤波容量；潮流反转时不必将直流电压极性改变，所以干式交联聚乙烯材质电缆可以直接用作直流线路，环境污染小。城市配电网、分布式发电并网、多端直流输电等领域均可应用电压源型HVDC8-9。新电压源型换流器结构于2004年出现，其基本特征表现在多电平数与多子模块级联结构，所以也叫做MMC（modular multilevel converter，模块化多电平换流器）”10-12。和两或三电平VSC相比，模块化多电平换流器的特征是其开关损耗更低、输出交流电波形和正弦更接近等，应用前景更理想13。发展迅速的全控型大功率电力电子器件生产技术势必会
8、全面提升电压源型高压直流输电工程的电压与容量等级，显著拓展其应用范围。及至2014年，15座电压源型高压直流输电工程已在世界各地投运（表1-1），包括国内的舟山五端直流输电工程、南澳三端直流输电工程14-16。额定电压不断增高、额定功率不断增大、连接端数逐步增加是电压源型高压直流输电工程发展的基本方向17。表1-1 电压源型已投运直流高压输电工程概况电压源型HVDC的发展包括三个阶段，其一为简单两端直流输电系统阶段，其二为多端直流输电系统阶段，其三为直流电网阶段。全球目前依然没有形成统一的直流电网概念18-20，有学者21认为，直流电网实质上是一种电能传输系统，由数量众多的换流站基于直流线路连
9、接而成，其形式有两种，即直流配电网（树枝状结构）和直流输电网（网状结构）。我国一些学者认为，以拓扑为依据，直流电网宜划分成辐射状结构与网状结构。电压源型HVDC发展演变过程中的拓扑变化如图1-1所示，其中，实线表示交流或直流输电线路，虚线表示交直流系统互联，黑点表示换流站，阴影平面表示交流系统，透明平面表示直流系统。two-terminal HVDC（简单两端直流输电）系统实质上是一种带若干分支的直流母线（图1-1(a)），该系统还是“网”，因为其结构无网格、无冗余，交流系统备用或非同步交流系统互连常采用该系统。MTDC（multi-terminal HVDC，多端直流输电）系统指的是利用指定
10、直流线路连接方式连接三个以上换流站而成的输电系统（图1-1(b)），其“网”状结构初步具备。简单直流输电系统中的线路母线全部是交流母线。能同时多点供（受）电的MTDC并不是原两端直流输电叠加。相结复杂的环网式并联、放射式并联、混联及相对简单的串、混联结构等均为其典型的拓扑结构。和直流电网相比，MTDC需要更多换流站。直流电网（DC grid）的直流母线有数条，直流线路既用于辐射、网格结构，互为冗余，也可当成交流连接线路，直流电网因此成为独立系统，所需换流站数量因此而明显减少，成本也因此而显著降低如图1-1(c)。从直流输电技术发展来看，电压源型直流电网是其未来发展的基本趋势。直流线路交流电网(
11、a)直流多端交流电网(b)直流电网交流电网(c)图1-1直流电网形成示意图1.2.2 直流电网协调控制措施国内舟山五端、南澳三端直流输电系统等MTDC均为直流电网1。论文所提直流电网全部为电压源型直流电网。从两端直流输电系统控制策略来看，最早提出来的直流电网控制技术为实现简单的主从控制技术22，其仅需于直流电网内将单一换流站（即主控制站）选出进行直流电压控制即可，其余换流站（从控制站）则能对功率、交流电压等变量进行控制，直流电网稳态控制即可实现，对不复杂的直流输电系统比较适用23。但系统电压在主控制站退出运行条件下会迅速偏离额定值，直流电网会因此而崩溃，这是其现实不足。基于此，有学者以主从控制
12、理论为依据24将直流电压偏差控制技术提出。也有人在交流电网频率下垂特征基础上将基于下垂特性的控制技术提出，此即直流电压下垂控制。这种技术中，直流电网内所有换流站均能有效控制直流电压、功率，平稳转换电网运行状态25-26。不同学者提出的控制策略均有一定的差异。学者所提出的各种控制技术或者实现难度大，或者适用范围较小，兼具适用广泛、实现简单特征的直流电网控制策略依然没有出现。1.2.3直流电网故障特征直流电网惯性系数不大，系统故障一旦出现，电网故障会迅速扩散，所以故障保护系统必需具备快速响应能力。这也是其无法直接适用交流电网保护技术的主要原因。有学者对两电平电压源型换流器与直流电网结构进行了全面分
13、析、建模，分析了电压源型高压直流电缆出现流经高压直流断路器（极对地直流故障时）的短路电流，意在确定高压直流断路器在三端直流电缆系统内的故障电流开断峰值、速度，并打算同时考虑邻近换流站初始短路电流与电容放电。有学者认为，陆上风场内部联网系统宜采用电压源型直流电网。实践表明，其对交流侧故障的鲁棒性确实比较突出，不过直流故障更易损坏这种电网，学者就此研究了直流故障发生过程中（辐射型风场拓扑内）的电压源型换流器暂态特征，在此基础上把两电平电压源型换流器直流侧极间短路过程进行三阶段划分，且在具体分析三个阶段后将电缆故障定位技术提出。六端电压源型直流电网直流故障特征是相关学者的研究主题，学者将快速直流开关
14、与交流断路器相结合，以此将直流故障电流切断，且主张用握手法则完成直流故障定位。有学者分析了MMC中的桥臂过电流（直流侧故障下），并将旁路开关与MMC子模块并联，以便其形成直流短路电流开断功能。从直流故障特性研究来看，单一电压源型换流器或两端直流输电系统是各国学者研究的重点方向，理论界并未更多的关注直流电网的故障特征，即便有也只注重故障定位分析。因此论文将直流电网故障时的短路电流特征选作研究对象具有一定的创新性。1.3论文基本架构第一部分，全各各国战略性能源分配及其调整方向简述，同时阐述了电压源型直流电网技术、直流故障特性研究概况及各直流电网协调控制策略。第二部分，阐述了两电平电压源型换流器、M
15、MC结构，对2种换流器快速模型原理进行了分析，对典型直流电网拓扑结构（四种）的适用场景进行了分析。第三部分，阐述了直流电网控制技术；重点分析了直流电压下垂控制、直流电压偏差控制、主从备用控制、主从控制，将主从-下垂协调控制技术提出；以PSCAD/ETMDC为基础完成了五端直流电网仿真模型构建，对各类协调控制技术特征进行了研究，完成了主从-下垂控制技术的有效性验证。第四部分，基于各种换流站出口处直流极间短路故障（三种典型拓扑直流电网）仿真对直流电网短路电流特征进行了分析；完成了混合式高压直流断路器的简化、详细仿真模型构建，以单个直流节点极间短路故障（连接四类交流系统）为切入点，对直流断路器的短路
16、电流开断属性进行了仿真研究，对其开断能力进行了验证。第五部分，总结与展望。第2章 电压源型换流器模型与直流电网拓扑分析2.1电压源型换流器数学模型2.1.1两电平电压源型换流器2-level VSC（电压源型换流器） 结构图如图2-1所示，其主要由三相桥臂构成，每相桥臂的上、下桥臂各一个，且由数只二极管、IGBT串联而成每个桥臂。图 2-1 两电平电压源型换流器结构图图内：VSC交流侧电压基波分量uc；VSC连接的交流系统电压us；VSC交流侧a、b、c三相电流基波分量分别是ica、icb、icc；VSC连接的交流系统a、b、c三相电流分量分别是isa、isb、isc；VSC直流侧电容为C；VSC直流侧电压为udc；VSC直流侧电流为idcVSC直流侧流入直流