- 文献综述（或调研报告）：
- 引言
- 研究背景
自最早的直流输电开始，到发展成熟的交流输电，输电技术经过多年的发展已经演变到交直流共存的时代。随着电力电子技术的发展，直流输电作为新一代输电技术，可有效解决交流输电面临的诸多问题[1]。高压直流输电也经历了多个发展阶段，从传统高压直流输电（LCC-HVDC），包括汞弧阀换流器阶段和晶闸管换流器阶段，到目前的研究重点——柔性直流输电（VSC-HVDC）阶段[2]。与自然换相的传统直流输电系统不同，基于电压源换流器的柔性直流输电系统采用可控关断型电力电子器件和PWM技术[3]。与LCC-HVDC相比，柔性直流输电方式输出电压电流谐波含量低，不存在换相失败风险，有功无功可实现快速解耦控制等[4]。柔性直流输电系统由于以上诸多优点，已经被广泛用于交流电网同步和非同步互联、清洁能源接入、向无源负荷供电、电力交易等场合，具有广阔的应用前景[5]。
- 工程实例
柔性直流输电技术发展于上世纪90年代。目前世界上投入运行的柔性直流输电工程均基于两电平换流器、三电平换流器和模块化多电平换流器[2]。
|
投运时间 |
工程名称 |
拓扑 |
额定容量（MW/Mvar） |
直流电压（kV） |
主要用途 |
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1999 |
Gotland |
2电平 |
50/plusmn;30 |
plusmn;80 |
风电并网 |
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2000 |
Directlink |
2电平 |
180/plusmn;75 |
plusmn;80 |
电力交易 |
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2002 |
Cross Sound |
3电平 |
330/plusmn;75 |
plusmn;150 |
电力交易 |
|
2006 |
Estlink |
2电平 |
350 |
plusmn;150 |
系统互联 |
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2009 |
Borwin1 |
2电平 |
400 |
plusmn;150 |
风电并网 |
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2011 |
南汇工程 |
MMC |
18 |
plusmn;30 |
风电并网 |
|
2013 |
Borwin2 |
MMC |
800 |
plusmn;300 |
风电并网 |
|
2013 |
南澳工程 |
MMC |
300 |
plusmn;160 |
风电并网 |
|
2014 |
舟山工程 |
MMC |
400 |
plusmn;200 |
岛屿供电 |
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2015 |
厦门工程 |
MMC |
1000 |
plusmn;320 |
系统互联 |
|
2016 |
鲁西背靠背 |
MMC |
1000 |
plusmn;350 |
系统互联 |
从以上工程实例可以看出，VSC-HVDC系统工程在国内外都受到了广泛的关注，工程向着高电压、大容量方向发展，我国在近几年也越来越关注MMC-HVDC系统的实际运用，主要应用于新能源并网和系统互联。
- VSC-HVDC工作原理
- 基本工作原理
如图2.1所示为简化的VSC-HVDC两端系统结构，图中换流器简化为比例放大器，和为换流电抗器，起到交流侧能量交换作用，和为换流电抗器和VSC损耗的等效电阻，和起直流电压支撑、缓冲冲击电流等作用，交流滤波器滤除交流侧电压谐波[3]。
以VSC1为例，在忽略电阻损耗和谐波分量后，换流器输送的有功和无功功率可表示为
（1）
式中为交流母线电压，为换流器交流侧电压基波分量，为滞后于的相位角，为换流电抗。
由此可知，有功功率主要取决于，通过控制可以控制潮流方向及功率大小；无功功率主要取决于，通过控制的大小可以控制无功功率为感性或容性及其大小。由PWM原理可知，和可以由调制波的相位角和调制度决定。
- 换流器结构
VSC-HVDC工程采用的VSC主要有三种，即两电平换流器、二极管钳位型三电平换流器和模块化多电平换流器（MMC）。其中，两电平换流器和三电平换流器属于第一代VSC-HVDC技术[1]，
2001年德国慕尼黑联邦国防军大学Rainer Marquardt提出了MMC，MMC具有两电平和三电平结构无法比拟的优势：有效提高了VSC-HVDC系统的容量和电压等级，减少了开关损耗和谐波含量，模块化结构易于扩展等。基于MMC具有的优点，目前MMC已经成为VSC-HVDC工程首选拓扑[1],其拓扑结构如图2.4所示。图中SM指MMC子模块，目前MMC可选择的子模块拓扑结构通常有6种，即半桥子模块拓扑、全桥子模块拓扑、钳位双子模块拓扑、双半桥子模块拓扑、三电平飞跨电容子模块拓扑和三电平中点钳位子模块拓扑[2]。其中半桥子模块结构最为简单，大量文献对于MMC-HVDC的建模均以SM为半桥子模块结构为主，文献[6][7]对于多类型子模块的MMC建模进行了研究。对于MMC的控制，文献[8]搭建了考虑桥臂电抗的MMC-HVDC数学模型，得到的简化电路图结构与传统VSC-HVDC类似，认为可采用传统的VSC-HVDC控制策略。文献[9]提出了旋转坐标系下的MMC-HVDC动态模型，获得了稳态下的MMC开关函数以控制MMC的稳态运行，并利用直接李雅普诺夫法优化开关函数动态部分并设计了相应的控制器。
- 控制策略
VSC-HVDC系统的控制可分为三个层级：系统级、换流站级和换流阀级。
系统级控制：系统级控制层负责接收电力调度中心的有功类（有功功率、直流侧电压、直流侧电流和频率）和无功类（无功功率、交流侧电压）整定值，，将有功类和无功类指令下发到换流站级控制层。
换流站级控制：换流站级控制层接收系统级控制层下发的有功类和无功类指令，外环控制器根据有功无功类指令将相应的电流参考值提供给内环控制器，内环控制器根据电流参考值得到相应的调制波指令，下发给换流阀级控制层。
换流阀级控制：换流阀级控制层接收换流站级控制层下发的调制波指令，采用合适的调制策略得到桥臂电力电子开关的触发信号。
VSC的控制器系统一般包括内环控制器、外环控制器和调制环节。内环控制器如图2.5所示，根据电流参考值得到调制信号的电压参考值。
外环控制器包括直流电压控制器、有功功率控制器和无功功率控制器，对于弱交流系统，为保持交流侧电压恒定还需采用交流控制器，如图2.6所示。外环控制器根据电压、有功和无功功率参考值得到电流参考值提供给内环电流控制器。
不同拓扑结构换流器的系统级和换流站级控制基本相同，主要区别在于换流阀级控制。针对基于MMC的VSC-HVDC系统的桥臂级控制较为复杂，控制MMC实际上就是控制内部子模块的投入与切除，目前已提出多种MMC调制策略：空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）、特定次谐波消除调制（Selective Harmonic Elimination PWM，SHE-PWM）、载波层叠调制（Level Shifted PWM，LS-PWM）、载波移相调制（Phase-Shifted Carrier PWM，PSC-PWM）、最近电平逼近调制（Nearest Level Modulation PWM，NLM-PWM）等。综合考虑各种因素，包括实现的难易程度、系统损耗等，得到广泛应用的策略主要有载波移相调制策略和最近电平逼近策略[2]。
一般将两端柔性直流输电系统称为VSC-HVDC系统，将多端柔性直流输电系统称为VSC-MTDC系统，相较于VSC-HVDC系统，VSC-MTDC的系统级控制策略更加复杂。VSC-MTDC系统的主要控制策略包括主从控制策略、直流电压裕度控制策略、直流电压下垂控制策略、直流电压裕度下垂控制策略等[1]。
- 柔性直流输电系统拓扑
- VSC-HVDC系统拓扑
VSC-HVDC系统拓扑较为简单，主要区别在于直流侧的接线方式不同，常见的接线方式有单极大地回线、单极金属回线、双极两端中性点接地[4]。
单极大地回线接线方式如图3.1所示，系统直流侧只有一根导线，利用大地作为回线，构成直流回路。该接线方式可减少线路成本，降低运行损耗，但对接地极附近金属设备有腐蚀性，不利于系统安全运行。
单极金属回线接线方式如图3.2所示，与单极大地回线相比，利用一根金属线代替大地回线，提高运行安全性。
双极两端中性点接地接线方式如图3.3所示，两端换流站直流侧中点可靠接地。线路故障时，可将接线方式调整为单极大地回线，从而提高系统运行可靠性和灵活性。
- VSC-MTDC系统拓扑
与VSC-HVDC系统相比，VSC-MTDC系统能够协调控制各个换流站间的功率，具有更高的灵活性和可靠性[10]。VSC-MTDC系统拓扑可分为串联型和并联型，并联型拓扑又包括星形拓扑、环形拓扑和星形-中央环形拓扑。
串联型拓扑结构如图3.4所示，换流站通过正负极直流侧线路串联成环形，各换流站以同一直流电流运行。该拓扑结构不使用直流断路器，控制复杂且运行不灵活；一旦直流线路发生永久性故障，则所有换流站交流侧断路器跳开，系统退出运行；各换流站受压不同，对绝缘要求高，系统难以扩展。
星形拓扑结构如图3.5所示，各换流站通过直流线路汇集到中心节点构成辐射状直流网络。该拓扑结构简单，系统易于扩展，各直流线路配置直流断路器，防止故障范围扩大，但中心节点故障会引起所有断路器动作，导致系统停运。
环形拓扑结构如图3.6所示，各换流站配置一个直流断路器和隔离开关，通过直流输电线路并联构成环形。该拓扑结构灵活性好，系统稳定性强，能够在线路故障时切除故障线路而不损失输送功率，但线路过长以及大量使用断路器和隔离开关导致建设成本高。
星形-中央环形拓扑结构如图3.7所示。该拓扑结构在星形拓扑基础上，用环网代替中心节点，综合了星形拓扑和环形拓扑的优点，避免星形拓扑由于中心节点故障导致系统停运并降低了环形拓扑的建设成本。但自身依然存在缺点：中心环网需配置安放平台增加了成本，中心环网解列会降低系统潮流分配的灵活性，系统容量冗余较大。
- 柔性直流输电系统模型研究
目前，对于柔性直流输电系统的模型研究已经取得了丰富的成果，各国学者为解决柔性直流输电系统中存在的各种问题，建立了大量具有针对性的模型，例如开关函数模型[2]，平均值模型[11-12]和小信号模型[13-14]等。由于模型具有多样性，对模型进行分类存在很大的难度，以上述3种模型为例，开关函数模型和平均值模型既有数学模型形式又有电路模型形式，而小信号模型则属于纯数学模型，简单将其以数学模型和电路模型进行分类显然不够合理，因此，需要选取合适的角度对现有模型进行分类。例如，根据模型的用途可以将数学解析模型分为稳态解析模型和动态解析模型；根据时间尺度的不同可以将暂态模型分为电磁暂态模型和机电暂态模型。本课题将对现有的模型进行归纳，研究其适用性。
- 柔性直流输电系统模型
电力系统模型根据研究用途的不同，可以分为暂态模型和稳态模型。
电力系统暂态过程根据扰动和故障发生以后，频率范围的不同和研宄分析目的和内容的区别，将电力系统暂态过程划分为电磁暂态过程和机电暂态过程。
电磁暂态模型是研究VSC-HVDC系统动态特性的常用模型，用于研究系统的电磁暂态过程。电磁暂态过程是指系统中各元件中磁场与电场之间的转换过程以及各元件中电流和电压的变化情况。通过电磁暂态过程分析可以得到系统因为故障或操作而引起的过电流和过电压，从而以此为依据合理设计电力设备。电磁暂态过程的变化很快，一般都是研究计算持续时间在毫秒级的电压电流的变化情况，所以在电磁暂态仿真中仿真步长为微秒级。
由于VSC-HVDC系统采用较高开关频率的电力电子器件，因此适合采用电磁暂态仿真研究其本身的动态特性，同时，针对不同的研究问题可以对电磁暂态模型进行相应的简化。以MMC-HVDC为例，为了在满足研究需求的同时提高仿真效率，可以对MMC进行简化，得到IGBT等效模型、子模块等效模型、桥臂等效模型或平均值模型，这些模型在适用性方面存在差异。
目前已有大量文献针对电磁暂态模型及其仿真进行研究。文献[15]提出了针对MMC桥臂及子模块等效的快速能量等效模型，通过受控源等效过程对桥臂和子模块分别进行等效，该等效方法通过能量守恒原理实现并保留了桥臂和子模块间的二次信息耦合。文献[16]对MMC在启动以及直流故障期间的桥臂电容动态过程进行分析，提出了改进的MMC等值电磁暂态仿真模型以及可仿真任意工况的MMC平均值模型。
机电暂态模型与电磁暂态模型都是用于研究电力系统暂态过程的模型，二者的区别在于时间尺度的不同。 机电暂态过程是指由于发电机和电动机电磁转矩的变化所引起的电机转子机械运动的变化过程。机电暂态分析主要用于分析电力系统的稳定性，包括受到小扰动后的静态稳定性问题和受到大扰动后的暂态稳定性问题。与电磁暂态仿真相比，机电暂态仿真的计算时间更长，仿真步长为毫秒级，适合与规模较大的电力系统。
机电暂态模型是建立在“准稳态假定”下的相量模型，因此也可以成为准稳态模型。所谓准稳态假定，即假定正弦量的相量变化是慢速的或者是时不变的，在这种假定下，相量的动态变化忽略不计。
在大量文献对电磁暂态模型和机电暂态模型进行研究的同时，也有文献提出了VSC-HVDC系统的电磁—机电暂态模型，如文献[17]提出了交直流输电系统的多尺度暂态模型，该模型基于移频分析法，可进行电磁—机电暂态仿真。
上述电磁暂态模型和机电暂态模型都是研究系统动态变化的暂态模型，与其相对的稳态模型用于研究系统在稳定状态下的系统运行情况，通常将系统状态空间方程中状态变量导数项置零即可得到系统的稳态解析方程。
稳态解析模型是电力系统关键电气参数设计、主回路状态、运行区间分析等的理论基础。文献[7]提出了混合型MMC动态解析模型和稳态解析模型的建模方法，通过稳态解析模型求解与换流器内部电气量和控制量有关的非线性方程组，实现了在任意直流电压和功率运行点下换流器运行特性的完全解析求解，计算了不同直流电压水平下的功率运行区间，分析了各约束条件以及子模块电容、桥臂电抗器、桥臂子模块比例等参数对功率运行区间的影响。
- 适用性研究
从以上模型可以看出，同一VSC-HVDC针对不同的研究问题可以构建不同的模型，这些模型的针对性和局限性尚待研究，本课题旨在对VSC-HVDC模型的适用性进行研究。
对于VSC-HVDC系统存在许多需要研究的问题，以系统稳定性分析为例，小信号模型是柔性直流输电系统稳定性分析中用到的一种数学模型。与交流输电系统一样，柔性直流输电系统在运行过程中也会遭受小干扰，对其进行小信号稳定性分析，判断系统在指定运行方式下是否稳定，是柔性直流电网分析最基本和最重要的任务之一。柔性直流输电系统的小信号建模及稳定性分析涉及到状态空间模型、稳态解析模型和小信号模型。首先通过描述系统的动态特性获得其状态空间模型，分别通过稳态化和线性化得到其稳态解析模型和小信号模型。根据给定的运行点，通过稳态解析模型计算状态变量的初值。将初值代入到小信号模型中获得系统的特征矩阵数值，进而对其进行特征值分析，判定系统的小信号稳定性。文献[14]围绕柔性直流电网的小信号建模和小信号稳定性分析，系统研究了柔性直流电网常用的三类VSC（两电平换流器、半桥型MMC、混合型MMC）的状态空间模型、稳态解析模型和小信号模型的统一建模方法。
除稳定性分析以外，柔性直流输电系统还有其他许多尚待研究的问题，研究模型对这些问题的适用性是本课题的主要内容。
参考文献：
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[17] 叶华,安婷,裴玮,韩丛达,齐智平.含VSC-HVDC交直流系统多尺度暂态建模与仿真研究[J].中国电机工程学报,2017,37(07):1897-1909.
- 文献综述（或调研报告）：
- 引言
- 研究背景
自最早的直流输电开始，到发展成熟的交流输电，输电技术经过多年的发展已经演变到交直流共存的时代。随着电力电子技术的发展，直流输电作为新一代输电技术，可有效解决交流输电面临的诸多问题[1]。高压直流输电也经历了多个发展阶段，从传统高压直流输电（LCC-HVDC），包括汞弧阀换流器阶段和晶闸管换流器阶段，到目前的研究重点——柔性直流输电（VSC-HVDC）阶段[2]。与自然换相的传统直流输电系统不同，基于电压源换流器的柔性直流输电系统采用可控关断型电力电子器件和PWM技术[3]。与LCC-HVDC相比，柔性直流输电方式输出电压电流谐波含量低，不存在换相失败风险，有功无功可实现快速解耦控制等[4]。柔性直流输电系统由于以上诸多优点，已经被广泛用于交流电网同步和非同步互联、清洁能源接入、向无源负荷供电、电力交易等场合，具有广阔的应用前景[5]。
- 工程实例
柔性直流输电技术发展于上世纪90年代。目前世界上投入运行的柔性直流输电工程均基于两电平换流器、三电平换流器和模块化多电平换流器[2]。
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