直流电网

近年来，随着直流输电工程的快速发展以及直流负载的广泛应用，高可靠、低成本的直流断路器研究日益受到人们的关注。然而，目前尚未完全形成系统的直流保护理论体系与快速直流断路器技术，难以保障直流电网的安全可靠运行，阻碍了其进一步发展。本报告，首先对直流配电网的故障特性进行了分析，指出固态断路器更符合中低压直流系统的需求；在此基础上提出了一种基于碳化硅JFET的智能固态断路器拓扑结构及其控制策略；此外，讨论了JFET的串并联技术，大幅提升了直流固态断路器的功率等级。

直流断路器作为直流电网实现故障清除的重要设备之一，其性能的优劣将直接影响系统的安全稳定运行。针对目前大部分断路器不具备故障限流能力且成本较高这一问题，提出了一种具有限流功能的电容型高压直流断路器设计方案。利用电容的充放电特性实现限流电抗和避雷器的投切，能够显著降低故障电流峰值；将传统直流断路器中大规模全控器件IGBT（绝缘栅双极晶体管）用电容来替代，在实现断流功能的同时有效降低了成本。基于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建单端等效模型并进行仿真验证，结果表明：相较于传统高压直流断路器，所提方案降低了故障电流峰值，缩短了故障隔离时间，具有较好的性能。

随着电网建设规模的快速发展，我国在交、直流电网的输电容量、技术水平和设施 装备的总量上均处于世界前列；同时国产电力装备的制造能力也得到了快速的提升。竞 争激烈的市场经济对输变电设备的制造质量、性能

柔性直流电网故障电流上升速度快与电力电子器件过流能力弱形成突出矛盾，线路保护需要在数毫秒级完成故障判别，输电线路精确参数的获取对于提升继电保护的性能至关重要。然而直流系统中缺乏稳定基频，导致输电线路相关参数难以获取、保护实现较为困难。针对柔性直流线路频变参数难以获取的问题，提出基于半桥模块化多电平换流器(half bridge modular multilevel converter, HB-MMC)特征信号注入的柔性直流线路频变参数辨识方法。首先通过换流器控制在线路中注入特定频率信号，然后利用快速傅里叶分解提取不同频率的信号并计算指定频率下的线路参数，最后依据不同线路参数的频变特性拟合出对应的幅频特性曲线。仿真表明，所提参数辨识方法可以准确拟合保护所需直流线路频变参数，参数辨识频段内相对误差小于1.5%。

高压直流输电（HVDC）控制保护系统以电压、电流、触发角等为控制量，通过对两端换流器的快速调节，从而满足交、直流电网联合系统的运行要求。文章以南瑞PCS-9550 高压直流控制保护系统在±500kV 昭通换流站工程中的应用及调试为例，结合常规交流500kV 变电站，阐述其控制保护技术特点及现场安装调试和使用中的注意事项。

新型电力系统背景下，中国未来面临着大规模能源“西电东送”的电力传输需求，需要规划与之相适应的输电模式。依据2030年后西部能源的开发规模，确定各类型电源的装机规模和地理分布，提出远期西部送端直流输电网和中东部受端超/特高压交流电网相融合的“西电东送”主干输电网结构及路线图。为适应新型电力系统安全可控、灵活高效的基本要求，构建了团块状、网格状和双环网3种基于VSC-HVDC柔性输电技术的直流组网模式，以实现西部多类型电源的互补互济，保障电力的可靠供应。分析了3种直流组网模式下主要一次设备的应用数量，计算了西部送端直流电网的系统整体可靠性指标，从设备应用数量和系统整体可靠性指标对3种模式进行了综合评估，并确定了优选方案。参考张北柔性直流电网工程，对优选方案的技术性和经济性进行了分析，进一步验证了方案的可行性。

MMC（模块化多电平换流器）包含了大量的开关元件，给电磁暂态仿真带来了很大的计算负担。针对该问题，提出了一种基于桥臂等效电容的全桥子模块型MMC快速仿真方法。提出了正常工作、闭锁和全状态的桥臂等效电路建模方法，开发了一种精确仿真全桥MMC电磁暂态响应的仿真模型。在PSCAD/EMTDC平台搭建了两端MMC直流电网测试系统验证其可行性，同时将模型和戴维南等效模型进行对比，结果验证了所提全桥子模块型MMC快速仿真方法的精确性和快速性。

目前大多数柔性直流电网行波保护在配置时仅考虑短路故障，当发生断线故障时，保护动作的正确性尚不明确。对此，首先分析了断线故障下传统行波保护的动作特性，得出了传统行波保护无法正确识别短路与断线故障的结论。在此基础上，探索了断线与短路故障下线路受端的第二个电流波头特征和线路电压特征，研究了两种故障下线路送端的电流首行波特征以及两端电压与电流变化量乘积的特征，提出了一种兼顾短路与断线故障识别的行波保护方案。基于PSCAD/EMTDC仿真平台对所提保护方案进行了性能验证。结果表明，该保护方案能准确识别并应对各种条件的故障，且具有较高的速动性和抗噪声干扰能力。

电力系统规模扩大和电力电子化程度加深，在增强大电网可控性的同时，也使得电网的安全稳定控制和暂态过程分析面临更大挑战： 多种类型直流输电系统、大规模分布式新能源接入、电动汽车逐步推广，局部系统的暂态过程对大电网稳定运行的影响不可忽略；大规模电力系统电磁暂态建模繁琐、潮流初始化困难、仿真计算效率低下研发了复杂大电网全电磁暂态仿真平台（ES-GTS）：基于机电数据自动建模、快速精确潮流初始化、宽范围计算步长高效并行仿真。

随着化石能源的日益枯竭和环境压力的日益增加，中国乃至世界均面临着能源结构的战略性调整，人类已经认识到必须从传统能源向以可再生能源为主的清洁能源过渡。但在开发利用风能、光伏等新能源的过程中，大规模集中式开发以及孤岛接入等问题严重制约丁对新能源的高效利用。目前，电力网络是清洁能源实现大规模开发以及远距离输送的有效途径，但现实中的输电网络普遍存在配置范围有限、能力不足的问题，亟待建立以清洁能源为主导、以电为中心、更高效环保的能源配置网络平台。 柔性直流输电技术因具备灵活控制有功/无功、可向无源网络供电、与交流电网高度解耦、轻松实现潮流反转等诸多优点，被广泛应用在新能源输电领域中。在此基础上，构建网络化的直流输电是一种解决大规模新能源接入的宏大构想，从技术实现的角度来看，也是当前最为可行的有效手段。柔性直流输电与直流电网的结合，可实现对广域内可再生能源发电直流联网，充分利用其互补性，实现可再生能源大规模集中接入，提高可再生能源发电利用率。 本项目围绕高压大容量柔性直流电网的应用需求，以适应大规模新能源接入的柔性直流电网关键技术为研究对象，解决柔性直流电网系统集成设计以及工程示范应用方面的核心问题。