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本發(fā)明公開了一種具備負(fù)電平輸出能力的 MMC 與機(jī)械型直流 斷路器協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)柔性直流網(wǎng)絡(luò)直流短路故障穿越的方法，屬于柔 性直流網(wǎng)絡(luò)直流故障保護(hù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)中，處理直流故障的手段主 要有三種：依靠交流設(shè)備斷開與直流系統(tǒng)的連接、依靠換流器本身進(jìn) 行直流故障清除、依靠直流設(shè)備進(jìn)行直流故障隔離，但以上三種方法 都無法有效實(shí)現(xiàn)柔性直流網(wǎng)絡(luò)直流故障保護(hù)。本發(fā)明中的 MMC 包括具備負(fù)電平輸出能力的子模塊，通過靈活調(diào)節(jié)上、下橋臂輸出電壓， 使換流器直流端口電壓呈現(xiàn)負(fù)電平，從而達(dá)到直流短路故障電流可控 且快速降

本發(fā)明公開了種多端柔性直流輸電系統(tǒng)的直流故障控制方法， 其通過增大直流電感值從而減小直流故障時直流電流上升率，防止 MMC 閉鎖，或者直流故障期間將 MMC 的交流電流指令值置零從而降 低橋臂電流防止 MMC 閉鎖；或者直流故障期間短期閉鎖 MMC 但不 開斷 MMC 的交流斷路器從而提高故障清除后恢復(fù)供電的速度；本發(fā) 明還公開了一種多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流故障判斷方法，通過量測 直流電感線路側(cè)直流電壓突變率，在突變率的絕對值超過一定閾值時 即判斷發(fā)生了直流故障。本發(fā)明可防止直流故障時開斷 MMC

本發(fā)明公開了一種模塊化多電平換流器的交直流解耦控制方法， 包括在電流內(nèi)環(huán)控制中增加直流電流控制，且直流電路控制包括正極 直流電流控制和負(fù)極直流電流控制，從而交流電流控制的輸出、正極 直流電流控制的輸出以及負(fù)極直流電流控制的輸出共同作為 MMC 各 相橋臂的輸出電壓參考值的主要分量；控制交流電流控制、正極直流 電流控制和負(fù)極直流電流控制的參考值和輸出，即可實(shí)現(xiàn)對 MMC 各 相橋臂的輸出電壓參考值的主要分量的控制，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)防止直流故 障時換流器因橋臂過電流而閉鎖。本發(fā)明還公開了上述方法在柔性直 流輸

柔性直流換流閥是直流電網(wǎng)構(gòu)建的核心裝備之一。針對換流閥塔多物理場的綜合作用問題，提出了多介質(zhì)共存時復(fù)雜導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的伽遼金匹配和點(diǎn)匹配結(jié)合的快速多極子邊界元電場計算方法，提出了閥塔高電場強(qiáng)度區(qū)的電位鉗制、屏蔽和優(yōu)化方法；建立了換流閥電-熱-流體等多物理場計算模型，獲得了金屬鉗制電極形狀對水路局部放電、電化學(xué)腐蝕速率的影響等規(guī)律；建立了含散熱器在內(nèi)的IGBT子單元的熱場整體仿真模型，提出了IGBT內(nèi)部芯片的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)結(jié)溫預(yù)測模型及其變流量修正方法。研究成果應(yīng)用于我國±320kV柔性直流換流閥自主研制，有效性在廈門±320kV柔性直流示范工程中得到進(jìn)一步驗(yàn)證，并推廣應(yīng)用于±500kV及±800kV柔性直流換流閥研制。參與研究的成果“新一代電壓源高壓直流換流器關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”獲得2017年北京市科學(xué)技術(shù)獎一等獎，華北電力大學(xué)作為項(xiàng)目主要完成單位排名第3，齊磊教授作為主要完成人排名第10。

1. 痛點(diǎn)問題 城軌交通是城市最大耗電行業(yè)之一，截止2020年底全國有45個城市開通了城軌交通線路244條，線路總長度7969.7公里,年耗電量172.4億千瓦時，其中牽引能耗占比高，達(dá)到84億千瓦時。為了實(shí)現(xiàn)城軌交通行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，必須從現(xiàn)有的城軌牽引供電系統(tǒng)給出解決方案，以應(yīng)對城軌交通面臨的行車密度大、節(jié)能減碳任務(wù)重、供電可靠性要求高等諸多挑戰(zhàn)。 城軌牽引供電系統(tǒng)的核心裝備是連接城市交流配電網(wǎng)與城軌直流牽引網(wǎng)的“交流-直流”電力電子變流器及其運(yùn)行控制系統(tǒng)。目前國內(nèi)外仍主要采用基于二極管整流機(jī)組變流器和以運(yùn)行狀態(tài)靜態(tài)監(jiān)視為主的電力監(jiān)控。這種傳統(tǒng)技術(shù)方案因缺乏管控能力對城市配電網(wǎng)依賴性強(qiáng)，存在外電源布點(diǎn)密集和選址困難問題，而外電源建設(shè)導(dǎo)致一次性投資劇增（7000~10000萬元/個），并且會占用大量城市用地和空間；因?yàn)榱熊囶l繁啟停沖擊導(dǎo)致配電網(wǎng)和牽引系統(tǒng)設(shè)備利用率低，存在依靠高成本的過度裕量來換取系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行問題；因?yàn)槿鄙賹ο到y(tǒng)能效的主動調(diào)度控制、牽引供電電壓波動劇烈、牽引網(wǎng)能量粗放式分布，導(dǎo)致列車再生制動能量無法在牽引系統(tǒng)內(nèi)部高比例利用、大規(guī)模光伏接入和消納困難，存在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部降耗減碳困難問題。 2. 解決方案 基于全控型雙向變流器和智能協(xié)同控制的柔性直流新一代牽引供電技術(shù)，具有靈活調(diào)控牽引供電系統(tǒng)能量、主動響應(yīng)城市配電網(wǎng)需求的能力，從根本上改變牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制，為系統(tǒng)性解決牽引供電系統(tǒng)痼疾、牽引供電系統(tǒng)和城市配電網(wǎng)互聯(lián)互動提供了基礎(chǔ)和平臺。

本發(fā)明公開了一種對真雙極系統(tǒng)的站級控制策略，換流站正、負(fù)兩極換流器獨(dú)立控制、運(yùn)行，提高直流輸電系統(tǒng)靈活性和可靠性，徹底解決原有系統(tǒng)中換流站與無源網(wǎng)絡(luò)或孤島新能源交流網(wǎng)絡(luò)相連時失去有功功率調(diào)節(jié)能力、換流站與有源交流網(wǎng)絡(luò)相連時正、負(fù)極電網(wǎng)間潮流不可調(diào)等問題。換流站與無源網(wǎng)絡(luò)相連時，具有調(diào)節(jié)正、負(fù)極直流線路功率的能力；換流站與孤島新能源交流網(wǎng)絡(luò)相連時，具有調(diào)節(jié)正、負(fù)極直流線路功率的能力；換流站與有源交流網(wǎng)絡(luò)相連時，通過換流站調(diào)節(jié)正、負(fù)極電網(wǎng)間潮流。

本發(fā)明公開了一種基于真雙極柔性直流輸電系統(tǒng)的多目標(biāo)協(xié)同控制方法，同一換流站內(nèi)正、負(fù)兩極換流器獨(dú)立控制；其中一極換流器采用恒交流電壓幅值/頻率控制方式，作為電壓控制極提供穩(wěn)定交流電壓；另一極換流器采用有功/無功解耦控制方式，作為功率驅(qū)動極，通過修改有功功率參考值實(shí)現(xiàn)換流站所傳輸功率在正負(fù)極直流電網(wǎng)中的主動靈活分配。本發(fā)明通過極間協(xié)同控制策略，根據(jù)系統(tǒng)的有功消納需求和運(yùn)行工況協(xié)同兩極間具體功率分配，功率驅(qū)動極具有良好的功率調(diào)節(jié)特性，而電壓控制極的直流電壓保持穩(wěn)定，且能夠在非正常工況下由健全極主動承擔(dān)部分故障極功率，避免故障極傳輸功率過剩，增強(qiáng)了雙極系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

本發(fā)明公開了一種適用于交流保護(hù)的柔性直流雙極短路解析分 析方法，應(yīng)用于交流保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，將 MMC-HVDC 閉鎖后換流站不 控整流分為四個臨界狀態(tài)，分別是三相環(huán)流、兩相環(huán)流、單相環(huán)流和 無環(huán)流狀態(tài)；建立這四個臨界狀態(tài)的電流微分方程與邊界條件方程， 得出對應(yīng)的電流與臨界電阻解析表達(dá)式；通過線性化擬合，得出任意 短路電阻下的故障電流解析表達(dá)式，以對 MMC-HVDC 直流雙極短路 故障進(jìn)行分析。通過本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)任意短路電阻下的交流電流計算， 彌補(bǔ)了交流保護(hù)整定計算無法計及 MMC-HVDC 直流雙極短

本項(xiàng)目針對大型海上風(fēng)電場功率外送問題，研究采用基于模塊化多電平換流器的柔性多端直流輸電系統(tǒng)并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)問題，從穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)定性等三個方面深入探究系統(tǒng)的運(yùn)行與控制特性，揭示系統(tǒng)不穩(wěn)定性產(chǎn)生機(jī)理，提出增強(qiáng)互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的設(shè)計原則及鎮(zhèn)定措施，攻克柔性多端直流輸電系統(tǒng)交、直流故障保護(hù)難題，并搭建基于MMC的四端柔性直流輸電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺及風(fēng)電機(jī)組模擬平臺，對所提理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 通過本項(xiàng)目的實(shí)施，能夠使我國相關(guān)技術(shù)人員掌握該領(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù)，為大型海上風(fēng)電場經(jīng)MMC-MTDC并網(wǎng)實(shí)際工程建設(shè)提供人才支撐和理論指導(dǎo)，為使我國柔性多端直流輸電技術(shù)研究進(jìn)入國際先進(jìn)行列打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。 在本項(xiàng)目實(shí)施過程中，與國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)緊密合作，充分調(diào)研大型風(fēng)電場經(jīng)柔性多端直流并網(wǎng)實(shí)際工程的運(yùn)行特性及出現(xiàn)的問題，密切結(jié)合理論研究，揭示問題產(chǎn)生原因，提出問題解決方案。本項(xiàng)目所取得的研究成果均已在國內(nèi)外高水平期刊上發(fā)表，共發(fā)表論文二十余篇，其中SCI檢索4篇，EI檢索16篇，申請國家發(fā)明專利5項(xiàng)，已授權(quán)2項(xiàng)。

 本項(xiàng)目針對大型海上風(fēng)電場功率外送問題，研究采用基于模塊化多電平換流器的柔性多端直流輸電系統(tǒng)并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)問題，從穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)定性等三個方面深入探究系統(tǒng)的運(yùn)行與控制特性，揭示系統(tǒng)不穩(wěn)定性產(chǎn)生機(jī)理，提出增強(qiáng)互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的設(shè)計原則及鎮(zhèn)定措施，攻克柔性多端直流輸電系統(tǒng)交、直流故障保護(hù)難題，并搭建基于MMC的四端柔性直流輸電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺及風(fēng)電機(jī)組模擬平臺，對所提理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 通過本項(xiàng)目的實(shí)施，能夠使我國相關(guān)技術(shù)人員掌握該領(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù)，為大型海上風(fēng)電場經(jīng)MMC-MTDC并網(wǎng)實(shí)際工程建設(shè)提供人才支撐和理論指導(dǎo)，為使我國柔性多端直流輸電技術(shù)研究進(jìn)入國際先進(jìn)行列打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。 在本項(xiàng)目實(shí)施過程中，與國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)緊密合作，充分調(diào)研大型風(fēng)電場經(jīng)柔性多端直流并網(wǎng)實(shí)際工程的運(yùn)行特性及出現(xiàn)的問題，密切結(jié)合理論研究，揭示問題產(chǎn)生原因，提出問題解決方案。本項(xiàng)目所取得的研究成果均已在國內(nèi)外高水平期刊上發(fā)表，共發(fā)表論文二十余篇，其中SCI檢索4篇，EI檢索16篇，申請國家發(fā)明專利5項(xiàng)，已授權(quán)2項(xiàng)。