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完成单位：华中科技大学

主要完成人：林磊，何震，路茂增，朱建行，陈宇，范声芳，张凯，林艺哲，徐克成，胡家兵

项目亮点

针对直流故障导致模块化多电平换流器（MMC）暂态应力严重超标、难以生存的难题，本项目揭示了直流故障下暂态应力的演化机理，提出了计及能量均衡的直流故障穿越方法，实现了MMC暂态应力的有效抑制并兼顾了故障期间换流器的连续运行，为柔性直流输电系统的直流故障保护奠定了基础。

项目介绍

发展基于模块化多电平换流器（MMC）的柔性直流输电技术是实现大规模可再生能源远距离外送、跨区域消纳的关键。然而，远距离、大容量陆上输电通常采用架空线传输，直流短路故障频发，MMC将面临严重超标的电压/电流应力，极易造成器件损坏和换流站停运。项目立项之初，典型的直流故障处理方案仅能够保护换流器自身，如德国Marquardt教授所提出的基于全桥/钳位双子模块的闭锁策略，瑞士ABB公司、国网智研院等相继提出的基于混合直流断路器的隔离措施，但均难以保证换流器在故障期间的连续运行，无法实现故障穿越，导致对交流系统的支撑不足。为此，项目团队在973计划等国家级项目的资助下，经历六年多的持续攻关，解决了直流故障下MMC暂态应力演化机理不清、故障穿越分析与控制方法缺失的科学难题，实现了MMC暂态应力的有效抑制并兼顾了故障期间换流器的连续运行，为柔性直流输电系统的直流故障保护奠定了基础。主要科学发现如下：

1.发现了MMC桥臂电压对暂态应力的作用机制，提出了基于差共模变换的故障分析方法，精确解析了暂态应力的演化规律，攻克了MMC暂态应力演化机理不清的理论难题；建立了直流故障穿越的基本框架，为暂态应力的抑制提供了理论支撑。

2.建立了能量精确解析模型，揭示了运行场景、系统参数、内部动态等因素对MMC桥臂间及不同类型子模块间能量分布的影响规律，发现了MMC内部能量的失衡判据及其主导因素，解决了能量均衡机制不清的理论难题。

3.建立了基频环流注入和不同类型子模块协调的双自由度协同机制，提出了计及MMC能量均衡的故障穿越控制方法，实现了多重暂态应力的抑制、多层级能量的均衡，推动了直流故障穿越技术的工程实践。

项目组累计发表高水平代表作8篇（1篇入选ESI高被引论文），授权发明专利17项（含2项美国发明专利）。核心专利被瑞士ABB、日本三菱等知名跨国公司作为专利申请引用，代表性论文受到亚琛工业、帝国理工、首尔大学等世界著名高校的持续关注。研究成果获IEEE JESTPE最佳论文一等奖（创刊以来国内首次获奖）、中国电源学会优秀博士学位论文奖、华为公司火花奖。第一完成人入选国家“万人计划青年拔尖人才”，获湖北省杰出青年基金资助。项目组成员包括国家自然科学杰出青年基金获得者、中国电源学会优秀青年奖获得者、爱思唯尔高被引学者。柔直设备商南瑞继保公司评价“所提直流故障穿越方法可实现MMC暂态应力的主动抑制和内部能量的有效均衡，为我单位供货世界首条±800kV特高压多端柔性直流工程（昆柳龙工程）提供了有力支撑”。

项目图片

图1： 三相全桥型模块化多电平换流器MMC的实验装置

图2：全桥型子模块实验装置

完成单位介绍及对项目的贡献

华中科技大学是本项目的唯一完成单位，聚焦直流故障导致MMC暂态应力严重超标、难以生存的国际难题，在973计划、国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目资助下，进行长期科研攻关，解决了直流故障下MMC暂态应力演化机理不清、穿越分析与控制方法缺失的科学难题，有力推动了柔性直流输电技术的进步。主要贡献包括：①提出了基于差共模变换的故障分析方法，攻克了直流故障下MMC暂态应力演化机理不清的理论难题；②揭示了故障穿越下MMC的能量均衡机制，解决了能量均衡机制不清的难题；③提出了计及能量均衡的直流故障穿越控制方法，实现了MMC多重暂态应力的抑制、多层级能量的均衡。研究成果为南瑞继保公司攻克半桥/全桥混合型MMC直流故障穿越核心技术提供支撑，助推其供货世界首条±800kV特高压多端柔性直流工程，具有较为显著的经济和社会效益。

第一完成人简介

林磊 教授

华中科技大学

林磊，工学博士，华中科技大学教授，博士生导师，国家万人计划“青年拔尖人才”入选者，湖北省自然科学杰出青年基金获得者，IEEE高级会员，科技部“面向2035年的国家创新平台布局及条件建设专题研究”专家组成员，中国电源学会理事、青年工作委员会主任委员、电力电子化电力系统及装备专委会副秘书长，武汉电源学会常务理事，湖北省电机工程学会理事，IEEE UPFC_P2745 series工作组专家，《电源学报》编委、《高电压技术》青年编委，现任华中科技大学科学技术发展院副院长兼应用技术研究院院长。

研究方向为：基于模块化多电平换流器和宽禁带半导体器件SiC的功率变换技术、高压柔性直流输电技术、高压脉冲电容器充电技术。先后主持国家自然科学基金项目3项、国家863项目4项、国家科技创新战略研究专项项目1项，湖北省自然科学基金2项、横向开发项目多项。近年来，在SCI/EI论文50余篇，申请及授权中国发明专利30余项，授权美国专利1项。