1. 研究目的与意义
高压直流输电是构建未来智能电网的核心技术，可以输电方便地实现新能源接入和长距离输电。
相比于传统两电平和二极管钳位三电平换流器直流输电系统，模块化多电平换流器作为实现多电平换流器的一种新的拓扑结构，具有高度模块化、不需要器件串联、装置损耗小、电压电流质量高、维护间隔长、电平数量容易拓展、输出波形谐波含量低、独立调节有功功率和无功功率、可向无源网络供电等诸多优势，有较高的经济性和灵活性，非常适于构建多端系统，在新能源并网、电网互联、电力交易、城市配网增容及电能质量提高等方面都有着广阔的应用前景。
但这种拓扑对直流侧短路故障存在缺陷，使其不适应架空输电线路等应用场合。
2. 课题关键问题和重难点
目前国内外对于 MMC-HVDC 的研究主要集中于柔性直流输电的关键技术、系统稳态控制和交流侧故障分析方面，柔性直流输电技术扩展到架空线输电场合所面临的关键问题有：直流线路故障难以快速清除、 输送容量难以与传统直流输电相媲拟、 主接线方式和接地方式选择原则还没有定论等。
柔性直流输电线路横跨区域广， 相对换流站内部的元件和设备， 其故障概率较高， 且影响与危害程度严重；在实际运行中，直流线路发生各种故障是难免的，而如何处理直流线路故障一直是基于电压源换流器型直流输电技术的一个难题。
本文将分析基于传统半桥式子模块的模块化多电平拓扑结构的特点、工作原理；分别研究直流侧线路单极接地故障、断线故障和两极短路故障的故障特性及其对系统运行的影响，需要推倒相关参数的数学表达式，为优化系统参数配置提供依据；而对于故障的快速检测，目前还没有成熟的理论方案，在本文中将作浅析，通过检测相关信号，快速判断系统是否发生故障及故障类型，并将故障信号传送给直流断路器使其跳闸，对于系统的稳定运行有重要意义。
3. 国内外研究现状（文献综述）
现代社会，随着人口的增长和科技的发展，人们对电力的需求在不断增加，对电能的质量也提出了更高的要求；在环境污染和能源紧缺的情况下，风能和太阳能等可再生能源得到大力开发和利用，城市的配电网需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式，因此，柔性直流输电在输配电领域当中得到了越来越广泛的应用。
柔性直流输电是一种新型高压直流输电技术，采用了电力电子中基于可关断器件的电压源换流器，集成众多的优点，如具有关断电流的能力，可应用脉宽调制技术进行无源逆变，对受端系统的容量没有要求，解决了常规直流输电向无交流电源的负荷点送电的难题，其灵活的控制方式和理想的运行特性也有助于提高交流电网电能质量，是当今世界电力电子应用领域的制高点。柔性直流输电技术应用于远距离大容量架空线输电是实现我国能源资源优化配置的客观要求，也是电网技术发展的未来趋势。但是，目前柔性直流输电的技术还不成熟，存在着许多的问题，现有3 个主要技术问题需要解决：1）如何克服柔性直流输电在直流故障下的脆弱性及它对交流系统的影响；2）如何能够进一步提高输电线路输送容量和电压等级；3）如何选择合理的主接线和接地方式。目前学术界和工业界已对上述问题开展了大量理论分析和学术研究。本论文重点就第一点，对大容量架空线柔性直流输电技术直流侧故障的故障特性进行分析，总结直流侧线路单极接地、断线和两极短路的参数变化，为柔性直流输电的故障保护策略提供理论基础。
柔性直流输电具有许多的技术特点，直流线路无电抗，不存在交流输电的同步运行稳定的问题；适用于交流系统间的非同步联网；输电线路少，工程造价低，损耗小，可向无源网络提供电能。 MMC-HVDC 能够工作在无源逆变方式而无需外加的换向电压，避免了传统HVDC 换相失败的发生，可用于向远距离的孤立负荷输电。同时能够对有功和无功分别进行独立控制，控制方式更加方便灵活。
4. 研究方案
本论文首先研究基于传统半桥式子模块的模块化多电平拓扑结构的特点，需要分析柔性直流输电的系统结构、功能与优点，熟悉基本结构，MMC换流器拓扑结构是由三相6个桥臂组成，每个桥臂由 N 个相互连接且结构相同的子模块(sub-module，SM)和一个桥臂电抗器串联构成，上下2个桥臂构成一个相单元，每个子模块是一个半桥或全桥结构，MMC 通过控制T 1、T 2、T 3、T 4的导通和关断，实现子模块的不同输出状态，从而实现功率的控制和传输，在论文中会给出的拓扑结构图和控制状态表格，进行具体分析；其次，研究基于架空线的柔性直流输电直流侧故障特性及其对换流器性能的影响，分别分析柔性直流输电在单极接地、断线、两极短路时的故障特性，单极接地故障时，直流接地点不能和阀侧形成回路，由于线路的分布参数影响，会有较小的接地电流，文中将分析接地极与非接地极的变化，推倒直流侧电压、桥臂电压的关系式；断线故障时，直流电流为零，正常的功率传输平衡被打破，对于运行在整流状态的MMC而言，此时输出功率为零，造成了电容过度充电和电压上升，而对于运行在逆变状态MMC而言，在未改变控制策略下，由于输入功率为零，造成了桥臂中作为储能的电容放电，进而电压下降和系统不稳定，推倒电容电压、故障电流、直流母线电压的方程式；两极短路故障时，由于线路直接短接，两侧换流器中的子模块电容通过短路路径快速放电，直流两极电压很快衰减为零，整流器与逆变器间的功率传输会立刻终止，然后两侧交流系统近似发生三相短路故障，对整个系统的安全运行造成严重的影响，在论文中，将通过图解，分析振荡放电的过程，推倒电容电压，桥臂电流等参数的计算公式，对优化系统参数提供基础，为保护策略提供理论基础；之后，研究直流侧故障类型及快速检测，快速检测是通过检测相关信号，将电流电压的变化率作为故障检测判据，快速的判断线路故障所在，并判别出故障类型，将信号传达给直流断路器，故障检测所需要的检测延时越短，则系统承受的短路电流越小，对于保护装置快速准确的动作有重要意义。
最后，通过搭建仿真模型，设置模型参数，验证论文中对直流故障理论分析的正确性。
5. 工作计划
第1－2周：完成相关文献收集、整理与阅读，查阅文献，了解研究内容，确定研究方案；
第3－4周：完成开题报告及英文翻译工作；经指导教师确认后上传毕设系统。指导老师对开题报告填写教师意见；
第5－6周：关键算法的推导并完成中期检查；研究基于传统半桥式子模块的模块化多电平拓扑结构的特点，作出MMC的拓扑结构图并分析特点、工作原理；研究基于架空线的柔性直流输电直流侧故障特性及其对换流器性能的影响；分析直流侧线路在单极接地、断线和两极短路时短路电流、桥臂电压等参数的变化特性，推倒数学表达式，对系统运行的影响。研究直流侧故障类型及快速检测。中期检查，师、生自查，完成毕业设计中期检查表；召开座谈会；
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