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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大功率电力电子系统的控制理论课件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大功率电力电子系统的控制理论课件一、已有的基础一、已有的基础大功率电力电子系统的控制理论课件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 先先进进的的电电力力电电子子系系统统控控制制策策略略基于基于BoostBoost变换的重复学习控制策略变换的重复学习控制策略基基于于数数字字频频率率合合成成（DDS)DDS)的的变变频频PWMPWM生成技术生成技术无无需需直直流流侧侧电电压压控控
2、制制的的有有源源逆逆变变器器技技术术先进的逆变器并联交错先进的逆变器并联交错PWMPWM控制技术控制技术先先进进的的级级联联多多电电平平逆逆变变器器的的PWMPWM调调制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大功率电力电子系统的控制理论课件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基于于功功率率单单元元级级联联的的多多电电平平拓拓扑扑结结构构及及其其在在STATCOMSTATCOM和和高高压压变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
3、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）（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大功率电力电子系统的控制理论课件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
4、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大功率电力电子系统的控制理论课件二、遇到的问题二、遇到的问题大功率电力电子系统的控制理论课件l大功率电力电子技术的可靠性问题（致命的大功率电力电子技术的可靠性问题（致命的问题）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
5、？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。大功率电力电子系统的控制理论课件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？大功率电力电子系统的控制理论课件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大功率电力电子系统的控制理论课件三、电力系
6、统的应用问题三、电力系统的应用问题大功率电力电子系统的控制理论课件（一）、发电机励磁控制（一）、发电机励磁控制大功率电力电子系统的控制理论课件n 三机励磁系统三机励磁系统n 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、励磁反馈控制原理、励磁反馈控制原理大功率电力电子系统的控制理论课件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n 发电机的输出功率可写成：发电机的输出功率可写成：大功率电力电子系统的控制理论课件励磁控制与静态稳定励磁控制与静态稳定大功率电力电子系统的控制理论课件励磁控制与静态稳定励磁控制与静态稳定设设UtUt=1.0
7、,=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：定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
8、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。 大功率电力电子系统的控制理论课件励磁控制与暂态稳定励磁控制与暂态稳定定定义义： 在在电电力力系系统统遭遭受受大大扰扰动动时时，如如输输电电设设备备上上的的故故障障、发发电电机机跳跳闸闸或或失失掉掉大大的的负负荷荷等等，电电力力系系统统保保持持同同步步的能力。的能力。 特特点点： 在在系系统统遭遭受受大大扰扰动动时时，由由于于系系统统的的电电压压、电电流流、有有功功、无无功功、发发电电机机转转子子角角等等的的摆摆
9、动动幅幅度度较较大大，因因此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 大功率电力电子系统的控制理论课件大功率电力电子系统的控制理论课件励磁控制与暂态稳定励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暂在电力系统中，应用发电机励磁改善电力系统的暂态稳定性有两条途径：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
10、A2A2；大功率电力电子系统的控制理论课件分析证明，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
11、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大功率电力电子系统的控制理论课件（二）、（二）、FACTS技术技术大功率电力电子系统的控制理论课件FACTS - Flexible AC Transmission Systems大功率电力电子系统的控制理论课件淮南淮南-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-
12、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)， 补偿方案方案传输容量容量（MW）1000kV变电站母站母线电压（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无补偿（空（空载运运行受限）行受限）01.061.131.121.0728001.031.071.071.0338001.011.021.021.00高高压电抗器：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280Mva
13、r高抗高抗装装600M SVG01.011.001.001.0138000.970.950.950.96656KM,估计需投资105亿大功率电力电子系统的控制理论课件大幅度提高输电线路传输能大幅度提高输电线路传输能力与次同步振荡抑制力与次同步振荡抑制大功率电力电子系统的控制理论课件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手段提高输电容量效益显著提高输电容量效益显著山西阳城到江苏串补工程：山西阳城到江苏串补工程：少建少建1回回270公里公里500kV线路，线路，输电极限提高输电极限提高10，节约投，节约投资约资约3.4亿元；亿元；丰万线串补工程：少建丰
14、万线串补工程：少建1回回500kV线路（线路（6 亿元），采亿元），采用固定串补（用固定串补（2. 53 亿）亿）,提提高送电能力高送电能力60 万千瓦；万千瓦； n投资成本相对低廉，效益投资成本相对低廉，效益显著显著增加线路：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￥；亿￥；国产化后成本更低。国产化后成本更低。 大功率电力电子系统的控制理论课件26串补引起的次同步谐振（串补引起的次同步谐振（SSR）问题）问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Sy
15、stemF(f0-fc)线路线路LCft系统系统systemTurbine generator大功率电力电子系统的控制理论课件271970s，Mohave Power Plant （USA）大功率电力电子系统的控制理论课件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 crack大功率电力电子系统的控制理论课件29#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 机组机组大功率电力电子系统的控制理论课件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
16、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机机大功率电力电子系统的控制理论课件（三）、电力电子系统的作用（三）、电力电子系统的作用大功率电力电子
17、系统的控制理论课件 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的控制理论课件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）大功率电力电子系统的控制理论课件四、大功率电力电子的可靠四、大功率电力电子
18、的可靠性控制方法研究性控制方法研究大功率电力电子系统的控制理论课件l功率和能量问题功率和能量问题功率变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大功率电力电子系统的控制理论课件静止同步补偿器（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lST
19、ATCOM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。 大功率电力电子系统的控制理论课件静止同步补偿器（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大功率电力电子系统的控制理论课件静止
20、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，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大功率电力电子系统的控制理论课件静止同步补偿器（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大功率电力电子系统的控制理论课件有源电力滤波器（有源电力滤波器（APFAPF）：）：=+电电 源源非线性负载非
21、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大功率电力电子系统的控制理论课件有源电力滤波器（有源电力滤波器（APFAPF）- -滤波效果滤波效果：典型电力电子系统的研制典型电力电子系统的研制大功率电力电子系统的控制理论课件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 基基于于电电力力电电子子的的节节能能技术技术-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大功率电力电子系统的控制理论课件能源管理中的电力电子技术
22、：能源管理中的电力电子技术：u 基基于于电电力力电电子子的的供供电电变变压压技术技术拓扑结构特点拓扑结构特点:1、功功率率单单元元级级联联拓拓扑扑结结构构实实现高电压或者降压功能；现高电压或者降压功能；2、部部分分单单元元具具有有能能量量回回馈馈通通道道，满满足足部部分分负负荷荷无无功功功功率率需求；需求；3、适适合合残残余余能能量量回回收收发发电电的的接入。接入。典型电力电子系统的研制典型电力电子系统的研制大功率电力电子系统的控制理论课件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
23、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 20102010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大功率电力电子系统的控制理论课件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大功率电力电子系统的控制理论课件l 面向电力系统，控制策略不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
24、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大功率电力电子系统的控制理论课件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大功率电力电子系统的控制理论课件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功率变换控制的电力电子系统控制策略大功率电力电子系统的控制理论课件l
25、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。T1、T4的导通时间为T1、T4的导通时间为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大功率电力电子系统的控制理论课件l PWMPWM逆变器内的功率变换控制逆变器内的功率变换控制在时间内， PWM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 相同 。因此可得交流侧电压和直流侧电压的关系式为:在时间内 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大功率电力电子系统的控
26、制理论课件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当 时，有 令 锯齿波幅值，则有u 两个结论：两个结论：通通过过电电流流 峰峰值值点点的的采采样样可可得得到到等等效效电电压压源源 的的全全部信息部信息;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。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大功率电力电子系统的控制理论课件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
27、电力电子系统控制策略大功率电力电子系统的控制理论课件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大功率电力电子系统的控制理论课件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基于功率变换控制的电力电子系统控制策略大功率电力电子系统的控制理论课件l 基基于于功功率率变变换换控控制制的的电电力力补补偿偿器器系系统统控控制制策策略略重复学习重复学习Boos
28、tBoost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大功率电力电子系统的控制理论课件l 基基于于功功率率变变换换控控制制的的电电力力补补偿偿器器系系统统控控制制策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大功率电力电子系统的控制理论课件l 基基于于功功率率变变换换控控制制的的电电力力补补偿偿器器系系统统的的能能量量分析分析- - 有有利利于于系系统统参参数数设设计计，尤尤其其是是直
29、直流流侧侧电电容容器器参参数的选择；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； 链链式式STATCOMSTATCOM直直流流侧侧电电压压的的均均衡衡控控制制构构造造下下垂特性。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大功率电力电子系统的控制理论课件l 基基于于功功率率变变换换控控制制的的电电力力补补偿偿器器系系统统的的能能量量分析分析 有源电力滤波器的频域能量变换模型有源电力滤波器的
30、频域能量变换模型APFAPF的的频频域域能能量量变变换换模模型型APFAPF直直流流侧侧电电压压的的变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大功率电力电子系统的控制理论课件l 基基于于功功率率变变换换控控制制的的电电力力补补偿偿器器系系统统的的能能量量分析分析 基基于于下下垂垂特特性性构构造造的的链链式式STATCOMSTATCOM直直流流侧侧电电压压均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大功率电力电子系统的控制理论课件Questions, Comments, DiscussionThanks for your attention！Together.Shaping the Future of Electricity大功率电力电子系统的控制理论课件
