大功率电力电子系统的控制理论

器器
器
器
➢无变压器，直接与高压连接
主2
2
2
电
路
➢无启动回路 ➢占地小
结
构逆
逆
逆
变
变
变
器
器
器
N
N
N
➢绝缘要求高 ➢需要冗余单元 ➢调整算法程序，可以实现谐 波、无功统一补偿
典型电力电子系统的研制
静止同步补偿器（STATCOM）：
链式STATCOM的某钢厂现场应用
典型电力电子系统的研制
有源电力滤波器（APF）：
淮南600Mvar
2800
0.99
0.95
0.95
0.97
皖南960Mvar
3500
0.96
0.90
0.91
0.94
浙北720Mvar
3800
0.95
0.86
0.87
0.91
减280Mvar高抗
0
1.01
1.00
1.00
1.01
装600M SVG
3800
0.97
0.95
0.95
0.96
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STATCOM(约投资2-3亿)提高100万传输容量(效益相当30亿)，
机组功率0.1% 年损失电费260万
未统计
3.0亿/4机
约650kw，机 4.0亿 / 8机
组功率的0.1%
30
（三）、电力电子系统的作用
时间尺度上的能控性： （响应时间的要求）
闪变改善率 K（％）
100 80 60 40 20 0 0
τ = 5ms τ = 10ms
τ = 15ms
τ = 20ms
Uc
a
手动控制过程
Ut
Uf
Uff
自动控制过程
2. 励磁控制与电力系统稳定
• 发电机线性化状态方程
1 H
( Pm
Pe )
E q
1 Td 0
[ Eq
( xd
xd )I d
uf
]
发电机的输出功率可写成：
P
0
PG
EqU X
sin
励磁控制与静态稳定
Pe
Eq Us X d
sin Eq
Pe
N1
2、部分单元具有能量回馈通 道，满足部分负荷无功功率 需求；
phaseshifting transformer
PV DC/DC
energy bidirectional flowing power units A3
典型电力电子系统的研制
静止同步补偿器（STATCOM）：
STATCOM的基本原理：将电 压源型逆变器经过电抗器 或者变压器并联在电网上， 通过调节逆变器交流侧输 出电压的幅值和相位，或 者直接控制其交流侧电流 的幅值和相位，迅速吸收 或者发出所需要的无功功 率，实现快速动态调节无 功的目的。
SVG Uinverter
–固定串补：60元/kvar,
阳城 800万$≈0.64亿
– 丰万线串补工程：少建1回
￥；国产化后成本更低。
500kV线路（6 亿元），采
用固定串补（2. 53 亿）,
提高送电能力60 万千瓦；
25
串补引起的次同步谐振（SSR）问题
高压缸 励磁机
中压缸
L
C
线路 串补
系统 system
低压缸
发电机
Turbine generator
（485）
命令锁存
控制逻辑
光纤 收发 控制
驱 动
板
PWM
重复学习
数据
232通讯口
控制
合成
➢基于数字频率合成（DDS)的变频PWM
BOOST变
CAN总线
DSP
换控制
三角
生成技术
载波 数据缓冲
区
EEPRM
➢无需直流侧电压控制的有源逆变器技 I2C
故障处 理
术
SRAM
➢先进的逆变器并联交错PWM控制技术
➢先进的级联多电平逆变器的PWM调制
二、遇到的问题
大功率电力电子技术的可靠性问题（致命的问题）
➢ 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？
20
40
60
80
100
无功补偿度 C（％）
电压闪变改善与无功 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
1、电力系统稳定控制中的能量转移问题 （阻尼的实现）
2、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））
四、大功率电力电子的可靠 性控制方法研究
功率和能量问题
系统System
F(f0-fc)
ft
26
1970s，Mohave Power Plant （USA）
27
国内某电厂600MW 机组
#29螺栓孔处裂 纹#29 crack
#31螺栓孔处裂 纹#31 crack
#35螺栓孔处裂 纹#35 crack
28
国内某电厂600MW 机组
#31螺栓孔处裂纹(裂纹长180mm)
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
（一）、发电机励磁控制
1、励磁反馈控制原理
三机励磁系统
Uff SCR
Uz
Uf G1
GEC-1微机 非线性励磁控制器
a arccos Uc K
Ut
+-
Ur
Uf Uabc Iabc
CT PT
Ut
(Ur--Ut)
• 大幅度提高输电线路传输 能力与次同步振荡抑制
串联电容补补偿
——提高输电容量最经济有效的手段
• 提高输电容量效益显著 投资成本相对低廉，效益
– 山西阳城到江苏串补工程： 显著
少建1回270公里500kV线路， –增加线路：100-300万
输电极限提高10％，节约投
/公里，阳城~4.0亿
资约3.4亿元；
发电机端电压水平，增加发电机的减速面积A2；
励磁控制与动态稳定
• 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 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 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 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。
power unit A1
基于电力电子的供电变压
N2
技术
photovoltaic generation system
DC/DC
拓扑结构特点:
energy bidirectional flowing
1、功率单元级联拓扑结构实
power units A2 N3
Local Load
现高电压或者降压功能；
淮南-上海特高压线路（单回）接线简图
补偿方案
传输容量 （MW）
淮南站
1000kV变电站母线电压（pu）
皖南站
浙北站
沪西站Βιβλιοθήκη 01.061.13
1.12
1.07
无补偿（空载运
行受限）
2800
1.03
1.07
1.07
1.03
3800
1.01
1.02
1.02
1.00
高压电抗器：
0
1.01
1.02
1.02
1.02
29
国内现有的不同SSR解决案例
电厂 方案 研发单位 投运 运行损耗 投资
上都 锦界
SEDC 清华+四方 +TSR
SVC+ 鞍山荣信 TSR
伊敏 托克托
可控串 中国电科院 补 +TSR
阻塞滤 美国GE 波器 +TSR
已投运 已投运 已投运
尚未
小于0.1kw <0.1kw
20OO万/4 机
约600kw，占 1.5亿/ 4机
• 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。当励磁控制系统能 够维持发电机电压为恒定值时,不论是快速励磁系统, 还是常规励磁系统,静态稳定极限都可以达到线路极限。
励磁控制与暂态稳定
定义： 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 的能力。
U
U
I
移相变压器
Phase Shifting Transformer
•
UA
•
•
UT UB
•
UT
•
UB
•
UA
可控串联补偿
短路电流限制器
Controlled Series Compensation
Short Circuit Current Limiter
•
UA
X
X
故障,增大阻抗
正常状态
t 故障时刻
统一潮流控制器
电力电子领域的应用基础研究
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 ➢高频大电流的电抗器设计与制作 ➢PSCAD/EMTDC仿真和MATLAB仿真 ➢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 ➢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 ➢风电测试平台
Unified Plow Flow Controller
•
•
UT UB
•
UB
•
UT
•
UA
600M var
960M var
720M var
淮南 1000kV
323km
皖南
164km 皖南
浙北
146km
沪西 1000kV
uk =18% G 10 600MW
656KM,估计需投资105亿
无穷大系统短路 容量 : 50000MVA
I. 电源
I. 负载
If. (负载基波)
=
电源
I. 滤波器
I.电源 I滤波器
I.负载
非线性负载
+
Ih. (负载谐波)
典型电力电子系统的研制
有源电力滤波器（APF）-滤波效果：
典型电力电子系统的研制
能源管理中的电力电子技术：
基于电力电子的节能
技术-高压变频调速器
典型电力电子系统的研制
能源管理中的电力电子技术：
特点： 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 不能用线性化方法来研究它。
概念： 面积定则
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
速面积A1；
– 设计先进的励磁控制策略，维持较高的故障后
IL System
IL
Usystem
典型电力电子系统的研制
静止同步补偿器（STATCOM）：
典型电力电子系统的研制
静止同步补偿器（STATCOM）： 10K
V
10K
10K
Si1
Si3
A相 V B相 V C相
逆
逆
逆
u
di
uoi
变
变
变
10 器
器
器
Si 2
Si 4
KV 1
1
1
逆 变
逆 变
逆 变
逆 变
DSP
技术
逆变器输出电 流及柜内温度
FPGA
直流电压 谐波电流 基波电压
控制
检测
控制
光纤监测
直流电压 保护
udcj
ij
uj
AD采样控制
AD7864(U)
AD7864(I)
➢先进的逆变器并网控制技术
系统电压、电流信号
电力电子领域的应用基础研究
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STATCOM和高压变 频器中的应用 ➢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 ➢基于-坐标变换的有源电力滤波器和STATCOM技术 （获国家发明专利） ➢四象限运行的PWM变流器 ➢程控的交流调压电源逆变器
E' Us X d '
sin E'
Pe
Ut Us X
sin
Ut
X d X d X T1 X T 2 X L 2.5
X
' d
X
' d
XT1
XT2
XL
1.0
X
e
XT1
XT2
XL
0.7
励磁控制与静态稳定
• 设Ut=1.0,Us=1.0,发电机并网后运行人员不再手动去
调整励磁,则无电压调节器时的静稳极限、有能维持E’ 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：0.4、1.0和1.43。
➢ 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。
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
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
➢ 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
电力电子领域的应用基础研究
先进的电力电子系统控制
开入开出控制
系统时钟
策略
PLL
到
触摸屏
➢基于Boost变换的重复学习控制策略
（二）、FACTS技术
FACTS - Flexible AC Transmission
Systems
系统
U1 1
X
U2 2
系统
1
1
P
P
U 1U X
2
sin( 2
1)
静止同步补偿器
Static Synchronous Compensator
U
U
I
静止无功补偿器
Static Var Compensator