针对该课题的主要研究目标,课题组在包括换流器主回路拓扑、柔性直流输电背靠背换流器主回路分 析方法及参数设计方法、柔性直流输电背靠背控制保护策略,直流故障自清除拓扑实时仿真方法,以及电 压源型换流阀功率模块试验方法、换流功率模块研制、混联直流背靠背系统物理样机及控制保护系统研制 等方面等进行了研究。 1. 在模块化多电平换流器(MMC)主回路拓扑结构研究方面,针对架空线场合应用,项目研究提出 了具有直流故障清除能力的半压钳位子模块拓扑结构,以及输出能力更强的三电平对称半压钳位子模块。 该方案可使换流器功率器件成本大大降低,具有良好的经济优势,并且故障清除速度非常快,非常适合在 架空线场合下应用。基于所提出的新型拓扑结构,还提出了基于本地信息的架空线直流故障保护应用方案, 能够协调多个换流站共同实现直流故障的快速清除,大大提高了输电系统的可靠性和可用率。 2. 针对常规晶闸管换流器(LCC)和 MMC 的混联直流输电和背靠背系统的可行性和应用场合进行 了分析与设计。研究了混联直流系统的主回路拓扑结构,建立了混联直流系统的基本控制方法。建立了各 种系统连接方式和运行方式下 LCC 和 MMC 的协调启动控制侧路和运行策略。 3. 针对全桥和半压钳位子模块拓扑结构,进行 EMTDC 仿真建模研究,并完成 500kV/3000MW 混 合直流系统仿真研究,有效证明了建模的有效性,以及应用直流故障清除能力拓扑的混联系统的短时重启 功能。4. 针对上述提出的直流故障自清除拓扑,进行拓扑结构实时仿真研究,并基于 RT-LAB 建立了三端混 联系统的仿真模型,仿真模型详细包括了各 LCC 换流器和 MCC 换流器的主回路模型,以及各控制环节 的详细模型。针对混联直流输电和背靠背系统,通过 RT-LAB 仿真验证了新拓扑结构的适用性及混联系统 的控制策略,为项目的研究建立了平台基础。 5.研究了 MMC 主回路分析方法和参数设计方法,建立了 MMC 的基于循环耦合关系的解析分析方 法。基于所提出的 MMC 解析分析,建立了 MMC 换流器的交流谐波计算方法、直流侧谐波的分析计算方法和损耗分析方法。基于所提出的解析分析计算方法和运行特性分析方法,设计实现了 MMC 的计算分析 与参数设计程序,可以用于基于 MMC 的直流输电系统的运行特性分析计算和参数设计。 6. 对 MMC 的参数优化设计方法进行了研究。提出了一种计及环流控制的解析分析方法,基于解析 分析结果提出了以降低子模块所需电容量为主要目标的环流优化控制方法,可以在保证 MMC 综合性能的 前提下显著降低所需的电容量。提出了一种可以降低电容值的 MMC 的优化设计方法和运行方式,通过适 当降低实际运行中子模块电容电压的直流分量,使最大电容电压波动允许幅度增大,进而可以有效降低 MMC 子模块所需的电容值。 7. 对 MMC 的控制策略进行了研究和实现。通过对 MMC 桥臂电流各分量的建模分析,提出了基于内 电势直接控制的 MMC 解耦控制方法,在直流电压的快速控制和环流的直接控制等方面具有明显优势。建 立了直流内电势直接控制方法下工作于定直流电压模式和定有功功率模式下的 MMC 的直流侧动态行为模 型,提出了一种新型的 MMC 多端直流输电系统的下垂控制策略。提出了一种 MMC 子模块电容电压的分 布式的均衡控制方法,将均衡控制环节分散到子模块控制器中实现,控制环节简单且占用的计算资源小, 在子模块级联数目大幅增加时,对中心控制器的计算资源的影响很小。对基于 MMC 的柔性直流输电系统 的控制策略进行了分析,基于 MMC 小容量物理试验样机,对 MMC-HVDC 对系统故障的暂态响应特性进 行了试验研究。 8. 提出了基于功率对冲的 MMC 换流阀等效试验方法,等效试验装置的电路结构更为简单,并使换 流阀在试验电路中所承受的电压电流运行工况与实际运行工况最为接近,能够最为准确地对被测换流阀进 行稳态运行试验。基于所提出的试验方法,建立了 MMC 换流阀的等效测试平台。并基于所提出的具有清 除直流线路故障电流的能力的新型钳位式拓扑结构,分别采用 3300V 等级的 IGBT 器件和 4500V 等级的 IGBT 研制了功率模块。所研制的功率模块在测试平台上进行了详细的测试。 9. 设计和研制了两台额定电压和容量为 10kV/4MVA 的 MMC 换流器物理试验样机,及一台额定电 压容量为 10kV/4MVA 的双 12 脉动晶闸管换流器物理试验样机。基于所研制的换流器物理试验样机,可 以构成多种灵活的组合接线方式,对各种可能的系统构成情况和主接线方式进行试验研究。基于所研制的 10kV/4MVA 等级的 MMC 和 LCC 物理试验样机构造了几种主要接线方式,并进行了出厂阶段的试验,对 所研制物理试验样机、混联直流输电系统及其控制策略进行了试验验证。 11. 设计和研制了可以构成多种灵活的组合接线方式的混合直流控制保护系统样机,并进行了与 RT-LAB 实时仿真平台的闭环测试,有效得验证了混联系统的控制保护策略。