直流電網是支撐我國新能源高效并網和廣域能源互濟的先進輸電技術，是我國未來電網廣域互聯的重要發展方向。但是，直流電網具有電容儲能大、系統阻尼小、故障演變快的特點，面臨裝備成本和體積巨大、直流故障難以清除的局限。本書聚焦于直流電網低成本直流故障穿越難題，致力于通過裝備拓撲設計和多設備間的協調配合大幅降低設備成本，主要內容包括：直流電網裝備發展需求與現狀、緊湊化MMC拓撲與故障穿越方法、高功率密度直流變壓器、直流故障發展刻畫、多功能潮流控制器、故障限流器拓撲改進、直流斷路器一體化設計、多設備協調配合等內容。
本書內容集成了華北電力大學直流輸電團隊近年的研究進展，適合于從事直流電網裝備拓撲緊湊化、輕型化和多功能化研究的高等院校、科研院所和工程現場的教師、專家、技術人員和研究生閱讀。
直流電網是支撐我國新能源高效并網和廣域能源互濟的先進輸電技術，是我國未來電網廣域互聯的重要發展方向。但是，直流電網具有電容儲能大、系統阻尼小、故障演變快的特點，面臨裝備成本高、體積巨大、直流故障難以清除的局限。本書聚焦于直流電網低成本直流故障穿越難題，致力于通過裝備拓撲設計和多設備間的協調配合，來大幅降低設備成本。
本書內容集成了華北電力大學直流輸電團隊近年的研究進展，適合于從事直流電網裝備拓撲緊湊化、輕型化和多功能化研究的高等院校、科研院所和工程現場的教師、專家、技術人員和研究生閱讀。
以模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）為主的柔性直流技術具備有功無功四象限運行能力，適用于西部地區新能源并網外送、東部地區多直流集中饋入和直流組網互聯等多種應用場景，成為我國未來電網發展的重要方向。特別是在柔性直流組網互聯方面，直流組網后能夠實現我國電網的靈活分區運行，加強區域間功率互濟和控制能力，因此成為構建新型電力系統的重要手段。
柔性直流系統具有子模塊數量多、電容儲能大、系統阻尼低、故障放電速度快的特點，在直流故障后幾毫秒內就會達到器件過電流能力上限。因此，直流故障清除技術是確保直流系統安全運行的關鍵核心技術，通常需要在換流器閉鎖前切斷萬安級的故障電流，并吸收百兆焦的故障能量，對工程設計造成極大挑戰。
華北電力大學直流輸電團隊趙成勇教授和許建中教授于2019年出版專著《架空線路柔性直流電網故障分析與處理》一書，較為系統地闡述了柔性直流電網中的故障發展和故障清除方案。在此基礎上，本書聚焦于直流電網設備的緊湊化需求，從多種設備的輕量化和多功能化兩個角度出發，總結了團隊近年來相關理論探索與技術實踐成果。本書分11章，內容包括：第1章概述了直流電網的發展趨勢、直流電網相關裝備的現狀與發展需求，是本書研究的出發點；第2～4章以直流電網穩態運行的核心設備——換流站和直流變壓器為研究對象，從控制優化、拓撲改造等角度，分析其高功率密度和多功能復用思路；第5、6章聚焦于直流電網的故障過程分析，提出直流電網設備的故障清除需求，并給出了故障清除過程中多種設備的協同配合原則；第7～10章針對直流側設備的緊湊化、集成化需求，分別介紹了直流潮流控制器、故障限流器、直流斷路器的新型拓撲設計與控制集成方法，并提出了新型的直流電壓鉗位器概念；第11章在前述多種設備的拓撲與控制創新基礎上，采用多個設備共同消散故障能量的思路，提出并驗證了多種設備在直流故障清除過程中的協調配合方法。
直流電網的新型裝備拓撲研究近年來受到持續關注，我國電力系統的高速發展和緊密互聯需求也推動了其發展進程，本書反映了團隊在直流電網裝備拓撲緊湊化、輕型化和多功能化方面的主要進展。
趙西貝，博士，2015年-2021年在華北電力大學電氣工程專業學習，獲工學博士學位。主要研究方向為新能源直流電網的運行與控制。 任北京能源與環境學會電力專家組成員。主持國家自然科學基金青年科學基金項目，主持和參與十余項橫向項目。
許建中，教授，博士生導師，主要研究方向為新能源柔性直流系統電磁暫態建模與仿真。2014年畢業于華北電力大學，獲工學博士學位，任《中國電機工程學報》和《電力系統自動化》編委、CSEE JPES副編輯。主持國家自然科學基金2項、北京市自然科學基金1項、國家重點研發計劃任務3項。發表SCI論文50余篇（4篇IEEE匯刊論文高被引），發表《中國電機工程學報》論文50余篇，論文獲獎15次（含中國電機工程學會優秀論文一等獎2篇；出版專著三部；授權發明專利60余件。獲中國電力優秀青年科技人才獎、中國電工技術學會科技進步一等獎2次、貴州省技術發明一等獎和技術發明二等獎。
趙成勇，博士、教授、博士生導師，新能源電力系統全國重點實驗室直流輸電方向負責人。加拿大曼尼托巴大學Adjunct Professor （2015.7—2018.6）。IEEE高級會員，中國電機工程學會直流輸電與電力電子專委會委員，中國高校電力電子與電力傳動學術年會組委會委員等。長期專注直流輸電研究。主持國家重點研發計劃課題2項、國家自然基金聯合基金重點項目、國家863計劃課題和國家自然基金項目等縱向項目10項，主持國家電網公司和南方電網公司等單位科研項目40余項。在傳統直流輸電、柔性直流輸電與混合直流輸電系統的拓撲結構、運行機理和控制策略方面進行長期基礎研究，研究成果得到了工業界認可和應用，獲2020年度技術發明二等獎、2020年度福建省科技進步二等獎、2022年度中國電工技術學會科技進步二等獎、2016年度中國電力創新獎一等獎等省部級獎勵9項。
前言
第1章 緒論1
1.1 直流電網發展前景1
1.2 直流組網裝備面臨的問題2
1.3 直流組網設備發展需求4
第2章 緊湊型MMC拓撲及控制6
2.1 MMC拓撲及工作原理6
2.2 基于改進拓撲下的MMC輕型化方案7
2.2.1 橋臂電感可變式MMC拓撲7
2.2.2 VAI-MMC輕型化機理8
2.2.3 仿真驗證及經濟性分析10
2.3 基于附加控制下的MMC輕型化方案13
2.3.1 基于諧波電流和諧波電壓耦合注入
方案13
2.3.2 基于耦合注入方案的輕型化機理16
2.3.3 仿真驗證及經濟性分析17
2.4 基于改進拓撲下的附加控制策略的
MMC輕型化方案20
2.4.1 基于橋臂復用的MMC輕型化方案20
2.4.2 采用子模塊混合型的MMC27
2.5 諧波注入法在實際工程中的應用34
2.6 本章小結36
參考文獻36
第3章 緊湊化混合型MMC拓撲及其故障穿越方法38
3.1 半全混合換流站暫態電容過電壓抑制方法38
3.1.1 不平衡電壓下子模塊電容電壓波動特性38
3.1.2 不平衡電壓下子模塊電容電壓波動抑制
方法41
3.1.3 諧波耦合注入的子模塊電容電壓波動抑制方法44
3.1.4 仿真驗證47
3.2 半全混合換流站的自適應直流故障穿越方法49
3.2.1 混合型MMC自適應限流控制器基本原理49
3.2.2 自適應限流控制對故障電流作用機理分析51
3.2.3 典型示例仿真分析53
3.3 換流閥嵌套型換流站及其直流故障穿越方法54
3.3.1 嵌套型MMC拓撲原理及工作方式54
3.3.2 典型示例仿真分析58
3.3.3 嵌套型MMC經濟性分析59
3.4 橋臂并聯混合型換流站及其直流故障穿越方法60
3.4.1 并聯型混合MMC拓撲及控制器設計60
3.4.2 并聯型混合MMC的工作原理62
3.4.3 典型示例仿真分析63
3.4.4 并聯型混合MMC經濟性分析65
3.5 本章小結66
參考文獻66
第4章 高功率密度直流變壓器68
4.1 直流變壓器在直流電網中的應用場景68
4.1.1 應用于直流互聯系統的高壓大容量直流變壓器68
4.1.2 應用于中低壓直流電網的直流變壓器69
4.2 直流變壓器拓撲類型與適用范圍70
4.2.1 隔離型直流變壓器70
4.2.2 非隔離型直流變壓器71
4.2.3 拓撲適用范圍分析72
4.3 緊湊化直流變壓器解決方案74
4.3.1 降低電容值類緊湊化方案74
4.3.2 多端口拓撲類緊湊化方案75
4.3.3 改進拓撲類緊湊化方案76
4.4 直流變壓器工程應用實踐83
4.4.1 蘇州同里綜合能源服務中心84
4.4.2 唐家灣多端交直流混合柔性配網互聯工程85
4.4.3 烏蘭察布“源網荷儲”功率路由器86
4.5 本章小結86
參考文獻87
第5章 柔性直流系統直流側短路特性分析89
5.1 直流故障電流等效計算方法89
5.1.1 單端MMC短路故障等效模型89
5.1.2 直流電網故障電流計算方法91
5.1.3 仿真驗證95
5.2 直流故障過程中暫態能量流動解析97
5.2.1 暫態能量及暫態能量流TEF的定義98
5.2.2 基于暫態能量流的MMC-HVDC換流站建模99
5.2.3 仿真驗證104
5.3 直流電網實驗平臺和故障電流驗證109
5.3.1 物理平臺架構和參數109
5.3.2 實驗驗證113
5.4 本章小結116
參考文獻117
第6章 直流電網中故障保護設備與方法概述118
6.1 故障限流設備概述118
6.1.1 故障限流設備分類118
6.1.2 故障限流設備的基本配置方式119
6.2 故障限流設備的作用機理120
6.2.1 限流原理分類120
6.2.2 源側故障限流設備的作用機理121
6.2.3 網側故障限流設備的作用機理123
6.3 故障限流設備的協同配合原則125
6.3.1 單端信息原則125
6.3.2 越限限流原則126
6.3.3 就近限流原則127
6.3.4 殘壓支撐原則和耐壓利用原則128
6.4 多端直流端間協同配合保護方法129
6.4.1 保護分類129
6.4.2 直流電網的典型故障點130
6.4.3 直流電網的保護與恢復策略131
6.4.4 實例說明133
6.5 本章小結138
參考文獻138
第7章 具備直流故障處理能力的直流潮流控制器140
7.1 線間直流潮流控制器的基本結構140
7.2 具備故障限流功能的新型線間直流潮流控制器141
7.2.1 新型潮流控制器拓撲及控制策略141
7.2.2 潮流控制器的故障電流抑制過程分析146
7.2.3 參數選取150
7.2.4 模型驗證151
7.3 具備故障限流及斷路功能的復合型直流潮流控制器153
7.3.1 潮流控制器拓撲及控制策略154
7.3.2 潮流控制器動作過程的理論分析161
7.3.3 模型驗證166
7.4 本章小結168
參考文獻168
第8章 故障限流器拓撲及其演化170
8.1 基于換相電容的故障限流器170
8.1.1?新型限流器拓撲結構170
8.1.2 新型限流器性能驗證176
8.1.3 新型限流器成本分析180
8.2 基于限流電感的故障限流器181
8.2.1 新型限流器拓撲結構181
8.2.2 新型限流器性能驗證185
8
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