1、大功率电力电子系统的大功率电力电子系统的控制及应用控制及应用查晓明 教授武汉大学电气工程学院提纲 已有的大功率电力电子技术基础 遇到的问题 电力系统的应用问题 电力电子系统的控制问题一、已有的基础一、已有的基础电力电子领域的应用基础研究电力电子领域的应用基础研究l 先进的电力电子系统控制先进的电力电子系统控制策略策略基于基于BoostBoost变换的重复学习控制策略变换的重复学习控制策略基于数字频率合成（基于数字频率合成（DDS)DDS)的变频的变频PWMPWM生成技术生成技术无需直流侧电压控制的有源逆变器技无需直流侧电压控制的有源逆变器技术术先进的逆变器并联交错先进的逆变器并联交错PWMPW
2、M控制技术控制技术先进的级联多电平逆变器的先进的级联多电平逆变器的PWMPWM调制调制技术技术先进的逆变器并网控制技术先进的逆变器并网控制技术电力电子领域的应用基础研究电力电子领域的应用基础研究l 大功率电力电子拓扑结构的研究基于功率单元级联的多电平拓扑结构及其在基于功率单元级联的多电平拓扑结构及其在STATCOMSTATCOM和高压变和高压变频器中的应用频器中的应用混合式有源电力滤波器的研究混合式有源电力滤波器的研究多逆变器并联的有源电力滤波器技术多逆变器并联的有源电力滤波器技术基于基于-坐标变换的有源电力滤波器和坐标变换的有源电力滤波器和STATCOMSTATCOM技术技术（获国家发明专利
3、）（获国家发明专利）四象限运行的四象限运行的PWMPWM变流器变流器程控的交流调压电源逆变器程控的交流调压电源逆变器电力电子领域的应用基础研究电力电子领域的应用基础研究l 先进的电力电子设计与试验技术基于能量变换的电力电子设计理论和方法基于能量变换的电力电子设计理论和方法高频大电流的电抗器设计与制作高频大电流的电抗器设计与制作PSCAD/EMTDCPSCAD/EMTDC仿真和仿真和MATLABMATLAB仿真仿真低能耗的逆变器试验平台低能耗的逆变器试验平台通用电力电子试验平台及试验方法通用电力电子试验平台及试验方法先进的电能质量试验电源技术先进的电能质量试验电源技术多端柔性直流输电系统试验平台
4、多端柔性直流输电系统试验平台风电测试平台风电测试平台二、遇到的问题二、遇到的问题l大功率电力电子技术的可靠性问题（致命大功率电力电子技术的可靠性问题（致命的问题）的问题）外部或内部的扰动引起暂态过程导致大功率电力电子装置可靠性问题，如何提高电力电子系统对外部故障穿越能力？大功率电力电子系统的内部过电压产生的机理是什么，怎样分析计算？电磁暂态过程引起的电力电子器件特性变化是什么？温度场、电磁场相互之间的耦合及对电力电子系统的影响是如何产生的，能否有定量化的结果？复杂拓扑结构下的大功率电力电子装置的控制包容性问题。l大功率电力电子技术的设计问题大功率电力电子技术的设计问题电力电子系统的设计计算理论
5、在哪里？传统的按稳态条件计算的一些元件参数是否最优，电力电子装置本身是否存在成本浪费问题？电力电子系统设计是否要考虑故障条件下的穿越能力，如果评估暂态过程中电力电子系统结构参数是否合适？l大功率电力电子技术的试验问题大功率电力电子技术的试验问题电力电子系统的试验理论和方法三、电力系统的应用问题三、电力系统的应用问题（一）、发电机励磁控制（一）、发电机励磁控制SCRG1PTCTGEC-1微机非线性励磁控制器IabcUabcUfaarccosKUzUffUrUfUtUc+-n 三机励磁系统三机励磁系统aUfUt(Ur-Ut)UcUffUtn 手动控制过程手动控制过程n 自动控制过程自动控制过程1、
6、励磁反馈控制原理、励磁反馈控制原理2.2.励磁控制与电力系统稳定励磁控制与电力系统稳定发电机线性化状态方程发电机线性化状态方程)(1)(10fdddqdqemuIxxETEPPHsinXUEPqGn 发电机的输出功率可写成：发电机的输出功率可写成：P0EqdsqXUEPesinsinEdsXUEPetUstXUUPesin7.00.15.2212121LTTeLTTddLTTddXXXXXXXXXXXXXX励磁控制与静态稳定励磁控制与静态稳定励磁控制与静态稳定励磁控制与静态稳定 设设UtUt=1.0,=1.0,UsUs=1.0,=1.0,发电机并网后运行人员不再手动去发电机并网后运行人员不再手
7、动去调整励磁调整励磁,则无电压调节器时的静稳极限、有能维持则无电压调节器时的静稳极限、有能维持E E恒定的调压器时的极限、有能维持发电机端电压恒定恒定的调压器时的极限、有能维持发电机端电压恒定的调压器时的静稳极限分别为：的调压器时的静稳极限分别为：0.40.4、1.01.0和和1.431.43。维持发电机电压水平的要求与提高电力系统静态稳定维持发电机电压水平的要求与提高电力系统静态稳定极限的要求是一致的，是兼容的。极限的要求是一致的，是兼容的。当励磁控制系统能当励磁控制系统能够维持发电机电压为恒定值时够维持发电机电压为恒定值时,不论是快速励磁系统不论是快速励磁系统,还是常规励磁系统还是常规励磁
8、系统,静态稳定极限都可以达到线路极限。静态稳定极限都可以达到线路极限。励磁控制与暂态稳定励磁控制与暂态稳定定义：定义：在电力系统遭受大扰动时，如输电设备上的故障、在电力系统遭受大扰动时，如输电设备上的故障、发电机跳闸或失掉大的负荷等，电力系统保持同步发电机跳闸或失掉大的负荷等，电力系统保持同步的能力。的能力。特点：特点：在系统遭受大扰动时，由于系统的电压、电流、有在系统遭受大扰动时，由于系统的电压、电流、有功、无功、发电机转子角等的摆动幅度较大，因此功、无功、发电机转子角等的摆动幅度较大，因此不能用线性化方法来研究它。不能用线性化方法来研究它。概念：概念：面积定则面积定则 励磁控制与暂态稳定励
9、磁控制与暂态稳定在电力系统中，应用发电机励磁改善电力系统的在电力系统中，应用发电机励磁改善电力系统的暂态稳定性有两条途径：暂态稳定性有两条途径：增加发电机的强励能力，可以减少发电机的加增加发电机的强励能力，可以减少发电机的加速面积速面积A1A1；设计先进的励磁控制策略，维持较高的故障后设计先进的励磁控制策略，维持较高的故障后发电机端电压水平，增加发电机的减速面积发电机端电压水平，增加发电机的减速面积A2A2；分析证明，励磁控制系统中的自动电压调节作用，是造分析证明，励磁控制系统中的自动电压调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱（甚至变负）的最重要的成电力系统机电振荡阻尼变弱（甚至变负）的最重
10、要的原因之一。在一定的运行方式及励磁系统参数下，电压原因之一。在一定的运行方式及励磁系统参数下，电压调节作用，在维持发电机电压恒定的同时，将产生负的调节作用，在维持发电机电压恒定的同时，将产生负的阻尼作用。阻尼作用。许多研究表明，在正常实用的范围内，励磁电压调节器许多研究表明，在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。因此提高的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定的要求是不兼容的。电压调节精度的要求和提高动态稳定的要求是不兼容的。励磁控制与动态稳定励磁控制与动态稳定（二）、（二）、FACTS技术技术FACTS-Flexi
11、ble AC Transmission Systems淮南淮南-上海特高压线路（单回）接线简图上海特高压线路（单回）接线简图 减少高抗280Mvar后，安装600Mvar STATCOM，可将单回线路传输容量提高至3800MW，60万万STATCOM(约投资约投资2-3亿亿)提高提高100万传输容量万传输容量(效益相当效益相当30亿亿)，补偿方案补偿方案传输容量传输容量（MW）1000kV变电站母线电压（变电站母线电压（pu）淮南站淮南站皖南站皖南站浙北站浙北站沪西站沪西站无补偿（空载运无补偿（空载运行受限）行受限）01.061.131.121.0728001.031.071.071.0338
12、001.011.021.021.00高压电抗器：高压电抗器：淮南淮南600Mvar皖南皖南960Mvar浙北浙北720Mvar01.011.021.021.0228000.990.950.950.9735000.960.900.910.9438000.950.860.870.91减减280Mvar高抗高抗装装600M SVG01.011.001.001.0138000.970.950.950.96656KM,估计需投资105亿 大幅度提高输电线路传输大幅度提高输电线路传输能力与次同步振荡抑制能力与次同步振荡抑制25串联电容补补偿串联电容补补偿提高输电容量最经济有效的手段提高输电容量最经济有效的
13、手段 提高输电容量效益显提高输电容量效益显著著 山西阳城到江苏串补山西阳城到江苏串补工程：少建工程：少建1回回270公公里里500kV线路，输电线路，输电极限提高极限提高10，节约，节约投资约投资约3.4亿元；亿元；丰万线串补工程：少丰万线串补工程：少建建1回回500kV线路（线路（6 亿元），采用固定串亿元），采用固定串补（补（2.53 亿）亿）,提高提高送电能力送电能力60 万千瓦；万千瓦；n投资成本相对低廉，效投资成本相对低廉，效益显著益显著增加线路：增加线路：100-300万万/公里公里，阳城，阳城4.0亿亿 固定串补：固定串补：60元元/kvar,阳城阳城 800万万$0.64亿￥；
14、亿￥；国产化后成本更低。国产化后成本更低。26串补引起的次同步谐振（串补引起的次同步谐振（SSR）问）问题题串补串补高压缸高压缸 中压缸中压缸 低压缸低压缸 发电机发电机 励磁机励磁机系统系统SystemF(f0-fc)线路线路LCft系统系统systemTurbine generator271970s，Mohave Power Plant（USA）28国内某电厂国内某电厂600MW 机组机组#29螺栓孔处裂纹#29 crack#35螺栓孔处裂纹#35 crack#31螺栓孔处裂纹#31 crack29#31螺栓孔处裂纹螺栓孔处裂纹(裂纹长裂纹长180mm)国内某电厂国内某电厂600MW 机组
15、机组30国内现有的不同SSR解决案例电厂电厂方案方案研发单位研发单位投运投运运行损耗运行损耗投资投资上都上都SEDC+TSR清华清华+四方四方已投运已投运小于小于0.1kw0.1kw20OO万万/4 机机锦界锦界SVC+TSR鞍山荣信鞍山荣信已投运已投运约约600kw，占占机组功率机组功率0.1%年损失电费年损失电费260万万1.5亿亿/4机机伊敏伊敏可控串可控串补补+TSR中国电科院中国电科院已投运已投运未统计未统计3.0亿亿/4机机托克托托克托阻塞滤阻塞滤波器波器+TSR美国美国GE尚未尚未约约650kw，机机组功率的组功率的0.1%4.0亿亿/8机机（三）、电力电子系统的作用（三）、电力
16、电子系统的作用 时间尺度上的能控性：时间尺度上的能控性：（响应时间的要求）（响应时间的要求）电压闪变改善与无功电压闪变改善与无功补偿的动态特性补偿的动态特性大功率电力电子系统应用的作用机理分析大功率电力电子系统应用的作用机理分析1、电力系统稳定控制中的能量转移问题、电力系统稳定控制中的能量转移问题 （阻尼的实现）（阻尼的实现）2、电力系统稳定控制中的实现方式、电力系统稳定控制中的实现方式 （几何方法的实现（微分）还是系统演化方法（代数）（几何方法的实现（微分）还是系统演化方法（代数）四、大功率电力电子的可靠四、大功率电力电子的可靠性控制方法研究性控制方法研究l功率和能量问题功率和能量问题功率变
17、换与能量转移过程分析，尤其是动态过程中大功率电力电子功率变换状态及能量转移过程。l可靠性和稳态性能可靠性和稳态性能电力电子功率变换过程控制应着眼于可靠性控制电力电子装置应用系统的稳态性能控制l复杂电力电子系统的控制理论复杂电力电子系统的控制理论针对复杂电力电子系统控制问题，简化拓扑结构混合拓扑结构的电力电子系统的控制问题模型建立及控制理论基础问题静止同步补偿器（静止同步补偿器（STATCOMSTATCOM）：）：典型电力电子系统的研制典型电力电子系统的研制lSTATCOM的基本原理：将的基本原理：将电压源型逆变器经过电抗电压源型逆变器经过电抗器或者变压器并联在电网器或者变压器并联在电网上，通过
18、调节逆变器交流上，通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位，侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电或者直接控制其交流侧电流的幅值和相位，迅速吸流的幅值和相位，迅速吸收或者发出所需要的无功收或者发出所需要的无功功率，实现快速动态调节功率，实现快速动态调节无功的目的。无功的目的。静止同步补偿器（静止同步补偿器（STATCOMSTATCOM）：）：典型电力电子系统的研制典型电力电子系统的研制静止同步补偿器（静止同步补偿器（STATCOMSTATCOM）：）：无变压器，直接与高压连接无变压器，直接与高压连接无启动回路无启动回路占地小占地小绝缘要求高绝缘要求高需要冗余单元需要冗余单元调整算法程序
19、，可以实现谐调整算法程序，可以实现谐波、无功统一补偿波、无功统一补偿典型电力电子系统的研制典型电力电子系统的研制静止同步补偿器（静止同步补偿器（STATCOMSTATCOM）：）：链式STATCOM的某钢厂现场应用典型电力电子系统的研制典型电力电子系统的研制有源电力滤波器（有源电力滤波器（APFAPF）：）：=+电电 源源非线性负载非线性负载I.电源电源I.负载负载I滤波器滤波器I.电源电源I.负载负载If.(负载基波负载基波)Ih.(负载谐波负载谐波)I.滤波器滤波器典型电力电子系统的研制典型电力电子系统的研制有源电力滤波器（有源电力滤波器（APFAPF）-滤波效果滤波效果：典型电力电子系统
20、的研制典型电力电子系统的研制能源管理中的电力电子技术：能源管理中的电力电子技术：u 基于电力电子的节能基于电力电子的节能技术技术-高压变频调速器高压变频调速器典型电力电子系统的研制典型电力电子系统的研制能源管理中的电力电子技术：能源管理中的电力电子技术：u 基于电力电子的供电变压基于电力电子的供电变压技术技术拓扑结构特点拓扑结构特点:1、功率单元级联拓扑结构实、功率单元级联拓扑结构实现高电压或者降压功能；现高电压或者降压功能；2、部分单元具有能量回馈通、部分单元具有能量回馈通道，满足部分负荷无功功率道，满足部分负荷无功功率需求；需求；3、适合残余能量回收发电的、适合残余能量回收发电的接入。接入
21、。典型电力电子系统的研制典型电力电子系统的研制基于轻型直流输电连接的风、光、储一体化系统：基于轻型直流输电连接的风、光、储一体化系统：20092009年为浙江大学制造国内首个双端口轻型直流输电技术通用实验平台年为浙江大学制造国内首个双端口轻型直流输电技术通用实验平台 20192019年为武汉大学制造国内首个三端口轻型直流输电技术通用实验平台年为武汉大学制造国内首个三端口轻型直流输电技术通用实验平台典型电力电子系统的研制典型电力电子系统的研制基于轻型直流输电连接的新能源发电并网系统：基于轻型直流输电连接的新能源发电并网系统：典型电力电子系统的研制典型电力电子系统的研制l 面向电力系统，控制策略不
22、仅要定位在电力电子功率变换器的控制上，而且还要定位在电力系统补偿上，其中：电力电子变换器控制过程是着眼于开关周期内的功率转换控制，主要体现在开关切换与电感电流控制紧密关联；（安全性和鲁棒性指标）电力系统补偿器系统往往只关心定义在频域上的电能质量指标，不关心PWM逆变器的开关周期内功率变换过程。（性能指标）系统特点及其控制问题分析系统特点及其控制问题分析l 电力系统补偿器系统的控制策略电力系统补偿器系统的控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略l 电力系统补偿器系统的数字控制策略电力系统补偿器系统的数字控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略基于
23、功率变换控制的电力电子系统控制策略l PWMPWM逆变器内的功率变换控制逆变器内的功率变换控制设逆变器的开关频率为 ，在每个开关周期中会有两种开关状态，即T1/T4导通和T2/T3导通。DTt0sfT1、T4的导通时间为T1、T4的导通时间为sTtDT基于功率变换控制的电力电子系统控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略l PWMPWM逆变器内的功率变换控制逆变器内的功率变换控制0adcsLhqLItLvvidcsLhqLvvv在sTtDT时间内，p0adcsLhqLItLvvidcsLhqLvvv0I1Ip0Ip1IPWM逆变器功率变换控制稳态工作时，认为相邻的开关周期内 和 ,和 相
24、同。因此可得交流侧电压和直流侧电压的关系式为:在DTt0时间内 sLhqdcv2D11v基于功率变换控制的电力电子系统控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略l PWMPWM逆变器内的功率变换控制逆变器内的功率变换控制锯齿波 在一个开关周期内可表示为)(tr)21()(tTVtrm当 时，有 DTt)(D21VIm0p令 锯齿波幅值，则有edcmRVV eLhqs0pRvI)(tvqsLhu 两个结论：两个结论：通过电流通过电流 峰值点的采样可得到等效电压源峰值点的采样可得到等效电压源 的全的全部信息部信息;功率潮流是由交流侧向直流侧方向流动。功率潮流是由交流侧向直流侧方向流动。)(ti
25、S基于功率变换控制的电力电子系统控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略l 电力补偿器的系统电路等效电力补偿器的系统电路等效有源电力滤波器系统的有源电力滤波器系统的电路等效电路等效基于功率变换控制的电力电子系统控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略l 电力补偿器系统的电路等效电力补偿器系统的电路等效并联结构并联结构APFAPF系统的系统的电路等效电路等效基于功率变换控制的电力电子系统控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略l 电力补偿器系统的电路等效电力补偿器系统的电路等效链式链式STATCOMSTATCOM系统的电路等效系统的电路等效基于功率变换控制的电力电子系统控制策略
26、基于功率变换控制的电力电子系统控制策略l 基于功率变换控制的电力补偿器系统控制策基于功率变换控制的电力补偿器系统控制策略略重复学习重复学习BoostBoost变换控制策略的提出变换控制策略的提出基于功率变换控制的电力电子系统控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略l 基于功率变换控制的电力补偿器系统控制策基于功率变换控制的电力补偿器系统控制策略略重复学习重复学习BoostBoost变换控制策略的变换控制策略的DSP+FPGADSP+FPGA实现实现基于功率变换控制的电力电子系统控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略l 基于功率变换控制的电力补偿器系统的能量基于功率变换控制的电力补
27、偿器系统的能量分析分析-有利于系统参数设计，尤其是直流侧电容器参有利于系统参数设计，尤其是直流侧电容器参数的选择；数的选择；-依据的理论基础：系统的无源性理论。依据的理论基础：系统的无源性理论。有源电力滤波器的频域能量变换模型；有源电力滤波器的频域能量变换模型；链式链式STATCOMSTATCOM直流侧电压的均衡控制直流侧电压的均衡控制构造下构造下垂特性。垂特性。目前主要取得的理论研究成果：目前主要取得的理论研究成果：基于功率变换控制的电力电子系统控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略l 基于功率变换控制的电力补偿器系统的能量基于功率变换控制的电力补偿器系统的能量分析分析 有源电力滤波
28、器的频域能量变换模型有源电力滤波器的频域能量变换模型LhUshIAFhUsfId1IAPFsUfZId2AFfUfZC+-dc/kV 0.5 t/s 2.0 0.0 1.0 1.5 0.5 0.4 0.3 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.504 1.502 1.500 1.498 APFAPF的频域能量变换模的频域能量变换模型型APFAPF直流侧电压的变直流侧电压的变化化基于功率变换控制的电力电子系统控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略l 基于功率变换控制的电力补偿器系统的能量基于功率变换控制的电力补偿器系统的能量分析分析 基于下垂特性构造的链式基于下垂特性构造的链式STATCOMSTATCOM直流侧电压均直流侧电压均衡控制衡控制每个单元电路模型及数学方程每个单元电路模型及数学方程2aaiidisi2222iiiii22iimmRRUU cos2RXRX2XsinRXdiiiidUCdt 基于功率变换控制的电力电子系统控制策略基于功率变换控制的电力电子系统控制策略Questions,Comments,DiscussionThanks for your attention！Together.Shaping the Future of Electricity
