徐政

电力系统专家，1962年9月出生于浙江海宁。浙江大学二级教授，国际电气与电子工程师协会会士（IEEE Fellow），电力科学技术杰出贡献奖获得者，爱思唯尔中国高被引学者，入选全球前2%顶尖科学家终身科学影响力排行榜。作为浙江大学直流输电研究团队的学术带头人，在直流输电系统原理、成套设计和交直流电力系统规划等方面取得了一系列创新成果，产生了巨大的经济效益和社会效益，在国内外具有重要的学术影响力，为推动直流输电事业的发展作出重大贡献。于1983、1986和1993年分别在浙江大学电机系获学士、硕士和博士学位。主要研究领域为大规模交直流电力系统分析、直流输电与柔性交流输电、新能源发电与并网技术、电力谐波与电能质量等。 出版专著2部、译著12部，荣获机械工业出版社建社60周年“最具影响力作者”（2012） 和建社70周年“百佳作译者”（2022）称号；专著《柔性直流输电系统》获《中国高被引图书年报》2012-2016期间电工技术类高被引图书第一名。发表论文600余篇，其中单篇最高SCI引用数超过1000次。2011年获国家科技进步一等奖1项，1997年获国家自然科学三等奖1项。已培养全日制研究生129人，其中获博士学位51人、硕士学位78人。 担任直流输电技术全国重点实验室学术委员会委员、中国南方电网公司专家委员会委员、13种电工领域学术期刊编委。负责完成国家自然科学基金项目“输电与联网中的多直流落点问题及其对策”和“含多个换流站的电力网中的交直流系统相互作用特性研究”等多个重要项目。

本书包含三大板块。第一大板块是新型电力系统基础理论，内容包括电压源换流器（VSC）与交流电网之间的五种同步控制方法，VSC及其控制模式的分类，基于模块化多电平换流器（MMC）的全能型静止同步机的原理与应用，电力系统强度的定义及其计算方法，电力系统谐振稳定性的定义及其分析方法，基于阻抗模型分析电力系统谐振稳定性的两难困境等。第二大板块是柔性直流输电系统的原理和应用，内容包括MMC的工作原理及其稳态特性，MMC的主电路参数选择与损耗计算，基于MMC的柔性直流输电系统的控制策略，MMC中的子模块电容电压控制，MMC的交直流侧故障特性分析及直流侧故障自清除能力构建，适用于架空线路的柔性直流输电系统，大规模新能源基地的柔性直流送出系统，MMC直流输电应用于海上风电场接入电网，MMC直流电网的电压控制原理与暂态故障特性，高压直流断路器的基本原理和实现方法，新能源基地全直流集电和并网系统，MMC直流换流站的绝缘配合设计，MMC的电磁暂态快速仿真方法等。第三大板块是基于子模块级联型换流器的柔性交流输电系统的原理和应用，内容包括模块化多电平矩阵变频器（M3C）的原理和控制策略，基于M3C的海上风电场低频交流送出系统原理，基于MMC的统一潮流控制器（UPFC）原理，子模块级联型静止同步补偿器（STATCOM）原理等。

本书适合从事新型电力系统科研、规划、设计、运行以及柔性输电装备研发的高级工程技术人员和高等学校电气工程学科的教师与研究生阅读。

首字母缩略词汇总

符号说明

第1章基于子模块级联型换流器的柔性

输电技术的特点与应用1

11柔性输电技术的定义1

12柔性直流输电技术的发展过程及其特点1

13柔性直流输电应用于点对点输电6

14柔性直流输电应用于背靠背异步联网7

15柔性直流输电应用于背靠背异同步分网和类同步控制7

16柔性直流输电应用于构建直流电网8

17基于子模块级联型换流器的柔性交流输电技术9

18小结9

参考文献9

第2章MMC基本单元的工作原理12

21MMC基本单元的拓扑结构12

22MMC的工作原理13

221子模块工作原理13

222三相MMC工作原理15

23MMC的调制方式17

231调制问题的产生17

232调制方式的比较和选择17

233MMC中的最近电平逼近调制19

234MMC中的输出波形20

24MMC的解析数学模型与稳态特性21

241MMC数学模型的输入输出结构21

242基于开关函数的平均值模型23

243MMC的微分方程模型24

244推导MMC数学模型的基本假设25

245MMC数学模型的解析推导25

246解析数学模型验证及MMC稳态特性展示32

25MMC的交流侧外特性及其基波等效电路38

26MMC输出交流电压的谐波特性及其影响因素38

261MMC电平数与输出交流电压谐波特性的关系39

262电压调制比与输出交流电压谐波特性的关系39

263MMC运行工况与输出交流电压谐波特性的关系40

264MMC控制器控制频率与输出交流电压谐波特性的关系40

27MMC的阻抗频率特性41

271MMC的直流侧阻抗频率特性42

272MMC的交流侧阻抗频率特性44

273MMC的阻抗频率特性实例45

28MMC换流站稳态运行范围研究47

281适用于MMC换流站稳态运行范围研究的电路模型47

282MMC接入有源交流系统时的稳态运行范围算例48

283MMC向无源负荷供电时的稳态运行范围算例50

参考文献51

第3章MMC基本单元的主电路参数选择与损耗计算53

31引言53

32桥臂子模块数的确定原则54

33MMC控制频率的选择原则54

331电平数与控制频率的基本关系54

332两个临界控制频率的计算55

34联接变压器电压比的确定方法56

35子模块电容参数的确定方法58

351MMC不同运行工况下电容电压的

变化程度分析58

352电容电压波动率的解析表达式58

353子模块电容值的确定原则60

354描述子模块电容大小的通用指标——等容量放电时间常数60

355子模块电容值的设计实例61

356子模块电容值设计的一般性准则62

357子模块电容稳态电压参数计算63

358子模块电容稳态电流参数的确定63

359子模块电容稳态电压和电流参数计算的一个实例63

36子模块功率器件稳态参数的确定方法66

361IGBT及其反并联二极管稳态参数的确定66

362子模块功率器件稳态参数计算的一个实例66

363子模块功率器件额定参数的选择方法68

37桥臂电抗器参数的确定方法68

371桥臂电抗器作为连接电抗器的一个部分68

372桥臂电抗值与环流谐振的关系70

373桥臂电抗器用于抑制直流侧故障电流上升率71

374桥臂电抗器用于限制交流母线短路故障时桥臂电流上升率73

375桥臂电抗器参数确定方法小结74

376桥臂电抗器稳态电流参数的确定74

377桥臂电抗器稳态电压参数的确定74

378桥臂电抗器稳态参数计算的一个实例74

38平波电抗值的选择原则74

39MMC阀损耗的组成及评估方法概述75

391MMC阀损耗的组成76

392MMC阀损耗的评估方法78

310基于分段解析公式的MMC阀损耗评估方法78

3101通态损耗的计算方法79

3102必要开关损耗的计算方法80

3103附加开关损耗的估计方法81

3104阀损耗评估方法小结82

3105MMC阀损耗评估的实例82

参考文献85

第4章电压源换流器与交流电网之间的同步控制方法86

41同步控制方法的5种基本类型86

42基于q轴电压为零控制的同步旋转参考坐标系锁相环（SRFPLL）原理和参数整定87

421SRFPLL的模型推导87

422SRFPLL的基本锁相特性展示90

423输入信号幅值变化对SRFPLL锁相特性的影响91

424系统频率变化对SRFPLL锁相特性的影响91

425SRFPLL的非全局稳定特性92

426SRFPLL的小信号模型与参数整定93

43基于q轴电压为零控制的双同步旋转参考坐标系锁相环（DDSRFPLL）原理与设计94

431瞬时对称分量的定义94

432SRFPLL存在的主要问题96

433DDSRFPLL的基本原理97

434基于二阶Butterworth滤波器的LPF实现方法99

44基于恒定功率控制的功率同步环（PSL）的原理和参数整定101

441基于恒定功率控制的PSL的模型推导101

442PSL的参数整定105

443按单机无穷大系统设计的PSL对系统频率变化的适应性分析107

444按单机无穷大系统设计的PSL对系统电压跌落的适应性分析109

45基于恒定直流电压控制的电压同步环（VSL）推导和参数整定109

451基于恒定直流电压控制的VSL推导109

452基于恒定直流电压控制的VSL参数整定111

453基于恒定直流电压控制的VSL的响应特性分析112

454按单机无穷大系统设计的VSL对系统频率变化的适应性分析115

455按单机无穷大系统设计的VSL对系统电压跌落的适应性分析117

46基于恒定无功功率控制的无功同步环（QSL）推导和参数整定117

461基于恒定无功功率控制的QSL推导117

462基于恒定无功功率控制的QSL的参数整定121

463QSL的控制性能展示121

47基于耦合振子同步机制的电流同步环（CSL）的推导和参数整定124

471基于耦合振子同步机制的电流同步控制基本思路124

472CSL的数学模型124

473CSL的空载特性126

474单换流器电源带孤立负荷时CSL的带载特性127

475电流耦合强度改变对CSL输出特性的影响129

476双换流器电源带公共负荷时CSL的耦合同步特性130

477CSL1电流耦合强度变化对VSC1输出功率的影响132

478基于CSL耦合强度的定有功功率控制特性134

479基于CSL输出电压旋转和伸缩的定有功功率和定无功功率控制特性137

485大类同步控制方法的适应性和性能比较140

参考文献141

第5章MMC柔性直流输电系统的控制策略144

51电压源换流器控制的要素及其分类144

52同步旋转坐标系下MMC的数学模型148

521差模电压与阀侧电流的关系149

522共模电压与内部环流的关系151

53基于PLL的MMC双模双环控制器设计153

531差模内环电流控制器的阀侧电流跟踪控制154

532共模内环电流控制器的内部环流跟踪控制156

533基于差模和共模两个内环电流控制器的桥臂电压指令值计算公式157

534差模外环控制器的有功类控制器设计158

535差模外环控制器的无功类控制器设计158

536共模外环控制器的环流抑制控制159

537共模外环控制的电容电压波动抑制控制159

538双模双环控制器性能仿真测试160

539环流抑制控制与子模块电容电压波动抑制控制的对比163

54零序3次谐波电压注入提升MMC性能的原理及其适用场合165

541零序电压注入对控制效果的影响分析166

542如何选取待注入的零序电压166

543零序3次谐波电压注入仿真展示169

544注入零序3次谐波电压后MMC的性能提升分析171

545注入零序3次谐波电压后可能引起的不利方面171

546零序3次谐波电压注入策略的适用场合171

55交流电网电压不平衡和畸变条件下MMC的控制器设计171

551基于DDSRF的瞬时对称分量分解方法172

552电网电压不平衡和畸变情况下MMC的控制方法174

553仿真验证178

56交流电网平衡时基于PSL的MMC控制器设计181

561基于PSL的定PCC电压幅值控制器设计181

562基于PSL的定无功功率控制器设计182

563仿真验证183

57基于PLL与基于PSL的控制器性能比较183

58PLL失锁因素分析及性能提升方法189

581PLL失锁因素分析189

582克服锁相环失锁的方法191

583对PLL与PSL选择的一般性建议194

59MMC作为无源电网或新能源基地电网构网电源时的控制器设计195

591MMC作为无源电网或新能源基地电网构网电源时控制器设计的根本特点195

592测试系统仿真197

510电压韧度的定义及其意义199

参考文献200

第6章MMC中的子模块电容电压

平衡策略202

61子模块电容电压平衡控制202

611基于完全排序与整体参与的电容

电压平衡策略203

612基于按状态排序与增量投切的

电容电压平衡策略205

613采用保持因子排序与整体投入的

电容电压平衡策略207

614电容值不同时对子模块电容电压平衡控制的影响209

615电容电压平衡策略小结209

62MMC动态冗余与容错运行控制策略211

621设计冗余与运行冗余的基本概念211

622MMC动态冗余与容错运行控制策略的基本思想213

623MMC动态冗余与容错运行控制策略的实现方法214

624MMC动态冗余与容错运行稳态特性仿真实例214

625MMC动态冗余与容错运行动态特性仿真实例215

63MMCHVDC系统的启动控制217

631MMC的预充电控制策略概述217

632子模块闭锁运行模式218

633直流侧开路的MMC不控充电特性分析219

634直流侧带换流器的不控充电特性分析220

635限流电阻的参数设计221

636MMC可控充电实现途径222

637MMC启动过程仿真验证222

64MMCHVDC系统停运控制224

641能量反馈阶段225

642可控放电阶段225

643不控放电阶段226

644MMC正常停运过程仿真验证227

参考文献228

第7章MMC的交直流侧故障特性分析与直流侧故障自清除229

71引言229

72交流侧故障时MMC提供的短路电流特性230

721故障回路的时间常数分析与MMC短路电流大小的决定性因素230

722交流侧对称故障时MMC提供的短路电流特性230

723交流侧不对称故障时MMC提供的短路电流特性231

73直流侧故障时由半桥子模块构成的HMMC的短路电流解析计算方法232

731触发脉冲闭锁前的故障电流特性232

732触发脉冲闭锁后的故障电流特性238

733仿真验证240

734直流侧短路后MMC的闭锁时刻估计243

735直流侧短路电流闭锁后大于闭

锁前的条件分析244

74FMMC直流侧故障的子模块闭锁

自清除原理244

741全桥子模块的结构和工作原理244

742基于子模块闭锁的FMMC直流侧故障自清除原理247

75CMMC直流侧故障的子模块闭锁自清除原理250

76FHMMC直流侧故障的子模块闭锁自清除原理252

761全桥半桥子模块混合型MMC的拓扑结构252

762FHMMC通过子模块闭锁实现直流侧故障自清除的条件252

763FHMMC通过子模块闭锁清除直流侧故障引起的子模块过电压估算255

764FHMMC通过子模块闭锁清除直流侧故障的过程持续时间估算256

773种具有直流侧故障自清除能力的MMC的共同特点与成本比较257

7713种具有直流侧故障自清除能力的MMC的共同特点257

7723种具有直流侧故障自清除能力的MMC的投资成本比较257

7733种具有直流侧故障自清除能力的MMC的运行损耗比较258

774小结259

78FHMMC降直流电压运行原理259

781FHMMC降直流电压运行受全桥子模块占比的约束259

782FHMMC降直流电压运行受半桥子模块电容电压均压的约束260

79FHMMC直流侧故障的直接故障电流控制清除原理262

791FHMMC清除直流侧故障的控制器设计262

792FHMMC直接故障电流控制下的故障电流衰减特性实例263

710FHMMC采用子模块闭锁与直接故障电流控制清除直流侧故障的性能比较264

711对具有直流侧故障自清除能力的MMC的推荐结论266

参考文献267

第8章适用于架空线路的柔性直流输电系统268

81引言268

82跳交流侧开关清除直流侧故障的原理和特性269

821交流侧开关跳开后故障电流的变化特性分析269

822仿真验证270

83LCC二极管MMC混合型直流输电系统运行原理270

831拓扑结构与运行原理270

832交流侧和直流侧故障特性分析271

84LCCFHMMC混合型直流输电系统运行原理279

841LCCFHMMC混合系统中对FHMMC的控制要求280

842送端交流电网故障时FHMMC的

控制策略281

843受端交流电网故障时FHMMC的

控制策略281

844LCCFHMMC混合型直流输电系统

中FHMMC的总体控制策略282

845测试系统仿真验证284

85LCCMMC串联混合型直流输电

系统289

851拓扑结构289

852基本控制策略289

853针对整流侧交流系统故障的控制

策略290

854针对逆变侧交流系统故障的控制

策略291

855针对直流侧故障的控制策略292

856交流侧和直流侧故障特性仿真

分析294

参考文献301