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高比例可再生能源经交流电网远距离、大容量输电存在输电能力差、输电走廊利用率低等问题,迫切需要输电方式的革新。基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的三线双极高压直流输电(three wires bipole structure based high voltage direct current,TWBS-HVDC)系统能够充分利用换流站的额定容量和线路的热限制条件,较大程度改善原有交流线路的输电能力,是一种实现交改直和线路增容改造的有效方式。深刻剖析基于MMC的TWBS-HVDC工作原理,设计合理的TWBS-HVDC运行控制策略,准确掌握TWBS-HVDC的暂态运行特性,对我国未来柔性直流电网技术的发展与工程应用具有重要的理论价值。为此,本文围绕基于MMC的TWBS-HVDC运行控制策略和直流侧故障机理开展了相关研究,主要工作如下:(1)研究了基于MMC的TWBS-HVDC工作原理。在研究MMC换流器的拓扑结构与运行原理基础上,考虑TWBS-HVDC与双极柔性直流输电系统在输电线路结构上的差异,研究了 TWBS-HVDC系统的拓扑结构,分析了 TWBS-HVDC的运行特性;考虑TWBS-HVDC与双极柔性直流输电系统具有相同端口特性,设计了适用于TWBS-HVDC稳定运行的站级双闭环控制、相间环流抑制以及阀级调制、均压控制策略。(2)提出了一种兼顾直流线路热稳定与TWBS-HVDC扩容能力的运行周期整定方法,设计了一种基于电阻时序投切法的过渡阶段控制策略。研究了不同调制极电阻比下的TWBS-HVDC增容原理,建立了直流线路长期运行的热平衡方程,综合计及线路的温升与设备开关损耗影响因素,提出TWBS-HVDC运行周期整定方法;基于TWBS-HVDC运行规律,在调制极线路上加装缓冲电阻与开关,提出了过渡电阻计算方法,设计了过渡电阻时序投切策略。仿真结果表明所提运行周期整定法与过渡控制策略能够保障TWBS-HVDC可靠持续稳定运行,完成平缓过渡过程,进而实现增容目标。(3)提出了一种基于MMC的TWBS-HVDC直流侧短路故障电流计算方法。借助MMC暂态等效建模法,建立了 TWBS-HVDC在直流侧故障发生至直流断路器动作阶段的暂态等效模型。以暂态等效电路中独立回路数和动态元件阶数为标准,将所有直流故障归纳为3类,分析推导了各类故障下的状态方程,通过求解状态方程系数矩阵的特征值和特征向量,得到故障电流解析式。在MATLAB/Simulink中搭建了 TWBS-HVDC模型进行仿真对比,结果验证了本文所提TWBS-HVDC直流侧短路故障状态方程求解法的准确性和有效性,为直流断路器选型和限流电抗器参数整定提供了可靠依据。