柔性电力技术的应用
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直 流 电 容 器
电源断路器
整流器1A
逆变器2 . . . . . .
逆变器6
逆变器
斩波器
整流器1B
整流器2A 整流器2B
整流器
励磁变 压器
发电运行方式
亚同步运行状态：n<n1，滑差频率为f2 的电流产生的旋转磁场转速n2与转子 的转速方向相同，转子绕组吸收功率； •超同步运行状态：n>n1，滑差频率为f2 的电流产生的旋转磁场转速n2与转子 的转速方向相反，转子绕组发出功率；
IPS设置三重闭环调节，具有输出稳定、控制 灵活等特点；
通过合理的主结构设计，IPS效率高（可达96 ％），接线灵活（可接单相、三相三线或三相 四线负载）功率因数接近0.95；
价格远低于UPS，体积小，无需日常维护，具 有与UPS接近的可靠性。
IPS实验室样机
柔性化电力技术的发展方向
与电力电子技术发展相关的内容
T CT m I 2 cos 2
串级调速特点
•可平滑增速、减速； •能量回馈效率高； •可靠性高； •造价低，投资回收年限短； •功率因数低； •谐波大； •需专用启动设备
串级调速工作 状态与功率流向
•亚同步电动运行 •超同步电动运行 •超同步发电运行 •亚同步发电运行 •反接制动运行
Scherbius串级调速原理
观看短片！ FACTS & Custom Power
STATCOM
可变速抽水蓄能技术
概要与特点
•发电效率的提高 •AFC的需要 •泵类负载输入功率与回转速度的关系 •发展概况
调节方式
•定子频率调节方式 •调节范围大，容量 大，造价高
•转子励磁调节方式 •调节范围有限，但 容量小，造价低
n±n2=n1=同步转速
FACTS（国际2）
STATCOM上世纪80 年代由日本和美国首先研制 出来，之后世界各国都相当重视、竞相研制， 并完成了10多项的示范工程或实际工业工程；
最近五年，随着STATCOM 研制技术的深入、新 型大功率电子电子器件如IGCT等的出现， STATCOM在输电系统应用数量明显增加；
UPFC于1998年在AEP的Inez变电站投运；
电能质量中危害最大的问题 —电压暂降与短时中断
电压暂降与短时中断治理的市场前景
一次电压暂降或短时中断可能造成数万至数百 万美元的经济损失；
美国每年因这类电能质量问题造成的经济损失 在150亿至240亿美元之间；
中国抚顺炼油厂每年因这类电能质量问题造成 的经济损失在3000至5000万人民币元之间；
工程，双极的容量为3150MW。
柔性电力技术应用状况
直流输电技术（国际2）
• 轻型直流输电工业性试验工程（长10km、电压为 ±10kV、输送容量为3MW）于1997年在瑞典投入 运行；
• 2003年9月投运的美国康涅狄格到长岛的CROSS SOUND CABLE工程，额定容量为330MW，输送距离 40km；
工程进入世界先进行列； • 1997年建设天广直流，又重新引进了部分技术,直流输电技术
得以衔接； • 1998年开始建设三峡送出直流工程； • 我国已成为世界上拥有直流输电系统最多的国家，目前已经
投运和正在建设的直流工程有8项； • 三常、三广、三右、贵广工程双极容量均为3000MW，容量位
居世界第二位。
VSC
串接变压器
Ul
负载 VSC
（c）
混合式动态电压调节器的结构
I1 V1
TP
Ip
LP filter Converter
Vc
I2
V2
TS
protection
LP filter
Inverter
Control unit
Reference voltage
双回供电集成电源（IPS）
对双路电源经择优选取，变换后提供给负载， 两路电源间切换时间为零，真正的无暂降、无 相位跳变方式；
电压扰动最小; ❖ 提高用电设备对电能质量问题的抵御能力; ❖ 在供电网络与用户设备间加装补偿设备；
电压暂降与短时中断防范的补偿设备
• 不间断电源 （Uninterruptable Power Supply - UPS）
• 动态电压调节器 (Dynamic Voltage Regulator - DVR)
Id
sE20
U2T
Ud
Ui
I2
LF
s UT 2 cos2 E20 cos 1
•UR逆变触发提前角增大，s增大，转速增大；
•UI整流触发延迟角减小，s增大，转速增大；
•多采用UR逆变触发提前角控制法
可变速机组功率的调节
指令
P 32MW
有功功率 128MW
160MW
转速 335.0r / min 338.0r / min
900 1800
TCSC的运行模式
晶闸管旁通模式：
– 晶闸管全导通，用于某些控制与保护
晶闸管闭锁模式：
– 晶闸管触发脉冲被封锁，固定串补
晶闸管可控模式
– 基本运行方式
电压暂降的防范
电能质量问题的内容
– 供电中断 – 电压偏差 – 频率偏差 – 三相不平衡 – 谐波 – 电压波动与闪变 – 电压暂降与短时中断
– 快速、连续地控制输电线路的补偿度； – 最优潮流控制与功率换流的防止； – 抑制次同步振荡； – 串联电容器的保护； – 短路电流的限制
TCSC的结构
CB
G
Ld MOV
+C_
UHSC VT1
Ls
VT2
可控电抗实现的基本原理
可控电抗器支路电压电流波形绘制
L X L 2 2 1 sin 2
周波变换器方式
主变压器
电抗器
励磁断路器
相序反转断路器 起动断路器
发电机
机械断路开关
过电压保护装置 励磁变压器
过电压保护装置 励磁变压器
过电压保护装置 励磁变压器
中性点接 地装置
主变压器
相切换断路器 并列断路器 起动断路器
发电机 过电压保护装置 中性点接 地装置
AC－DC－AC 方式
限流电抗器
逆变器1
•同步运行状态：n＝n1，滑差频率为f2
＝0，转子为直流励磁，与普通同步发 电机相同，转子绕组无功率交换。
电动运行方式
－串级调速
转子绕组串接附加电势的调速原理
3~
3~
3I2Ea
P2 M
3~
MW
附加电动势装置
E2=sE20
Ea
I2
E2 sE20
I2
sE20 r22 ( sx20 )2
I2
sE20 Ea r22 ( sx20 )2
• 轻型直流输电系统世界上已经在瑞典、澳大利亚 、丹麦、美国等国家正式投入运行或在建。
柔性电力技术应用状况
直流输电技术（国内）
• 1978年在上海投运了第一条31kV、150A、长度9km的直流输电 试验线路；
• 1987年完成宁波至舟山的直流试验工程； • 1990年，葛上500kV直流工程投运，标志着我国高压直流输电
330.8r / min
344.0r / min 330.5r / min
励磁电流 3,500A
3, 750A
3, 500 A
大河内可变速抽水蓄能电站
可控串补（TCSC）及其应用
串联补偿
串联补偿与并联补偿：
– 串联补偿的补偿能力自动调节功能； – 同样补偿能力时的成本
可控串联补偿与固定串联补偿：
• 双路供电集成电源（Integrated Power Supply)
DVR基本拓扑结构图
U sag
Ul
供电变压器
变电站 负载
U sag
系统
VSC 能量存储 （a）
串接变 压器
VSC 能量存储
并联电压 控制器
并接 变压器
（b）
图 7-51 DVR 装置的基本拓扑结构图
（a）串联式 DVR；（b）并联式 DVR；（c）串并联式 DVR
– 大电流/高耐压/低损耗/高可靠性/高频化
与储能技术发展相关的内容
– 高效率/环保/廉价
与信息技术发展相关的内容
– 高可靠性/智能化/网络化
柔性电力技术的应用
柔性电力技术应用状况
直流输电技术（国际1）
• 1954年瑞典哥特兰岛建立第一个HVDC系统； • 1984年巴西建立了电压等级最高的±600kV HVDC
系统； • 1998年阿根廷与巴西利用直流实现两国电网的互
联； • 1954年至今全世界共有90余个已建、在建、或已
退役的直流输电工程，总容量约为82163MW； • 目前世界上双极容量最大的是伊泰普（ITAIPU）
美国EPRI的预测电能质量问题的解决对应的市 场额度在1000亿美元左右；
中国电能质量问题相应的市场潜力巨大。
电压暂降与短时中断
瞬时值录波图
有效值计算图
Vrms(volt)
电压有效值变化曲线
200
150
100
50
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
t(s)
电压暂降与短时中断的防范
❖ 减少故障数目、减少故障切除时间； ❖ 改变系统设计、使得当短路故障发生时用户设备处的
SSSC于2002年在NYPA的Marcy变电站投入来自百度文库行。
柔性电力技术应用状况
FACTS（国内）
从80年代起，相继从国外引进了6套SVC装置 ； 2000年11月，我国第一套500kV串补在徐州三
堡变电所东三双回线投入运行； 可控串补国产化工程：甘肃电网220kV碧成线 ； 上海电网黄渡分区±50Mvar STATCOM示范工程
柔性电力技术应用状况
FACTS（国际1）
SVC装置最大补偿容量已达1000MVar以上，应 用的最高系统电压为765kV；
已有7个可控串补工程投入运行，其中3个在美 国，1个在瑞典，2个在巴西；
计划采用可控串补的国家还有印度和澳大利亚 等。目前串补技术应用的最高系统电压为 765kV。
柔性电力技术应用状况
柔性电力技术应用状况
Custom Power
工业发达国家基于IGBT的DVR装置、DSTATCOM 装置、APF装置已经有系列的工业产品 ；
“优质电力园区”(Premium Power Park PPP) 国家电网公司正式启动了DVR、SSTS和FESS三
种定制电力技术的工业示范项目，以满足不同 电力用户对电能质量的特殊要求。
3~
M
3~
MW
UR
sE20 I2
Id
Ud
Ui
LF
T1 UI
U2T
U d Ui Id R
K1sE20 K2U2T cos Id R
•逆变触发角增大，Ui减小，Id增大，转速增大； •逆变触发角减小，Ui增大，Id减小，转速减小； •仅能次同步调速运行
超同步串级调速原理
3~
M
3~
MW
UR
T1 UI
电源断路器
整流器1A
逆变器2 . . . . . .
逆变器6
逆变器
斩波器
整流器1B
整流器2A 整流器2B
整流器
励磁变 压器
发电运行方式
亚同步运行状态：n<n1，滑差频率为f2 的电流产生的旋转磁场转速n2与转子 的转速方向相同，转子绕组吸收功率； •超同步运行状态：n>n1，滑差频率为f2 的电流产生的旋转磁场转速n2与转子 的转速方向相反，转子绕组发出功率；
IPS设置三重闭环调节，具有输出稳定、控制 灵活等特点；
通过合理的主结构设计，IPS效率高（可达96 ％），接线灵活（可接单相、三相三线或三相 四线负载）功率因数接近0.95；
价格远低于UPS，体积小，无需日常维护，具 有与UPS接近的可靠性。
IPS实验室样机
柔性化电力技术的发展方向
与电力电子技术发展相关的内容
T CT m I 2 cos 2
串级调速特点
•可平滑增速、减速； •能量回馈效率高； •可靠性高； •造价低，投资回收年限短； •功率因数低； •谐波大； •需专用启动设备
串级调速工作 状态与功率流向
•亚同步电动运行 •超同步电动运行 •超同步发电运行 •亚同步发电运行 •反接制动运行
Scherbius串级调速原理
观看短片！ FACTS & Custom Power
STATCOM
可变速抽水蓄能技术
概要与特点
•发电效率的提高 •AFC的需要 •泵类负载输入功率与回转速度的关系 •发展概况
调节方式
•定子频率调节方式 •调节范围大，容量 大，造价高
•转子励磁调节方式 •调节范围有限，但 容量小，造价低
n±n2=n1=同步转速
FACTS（国际2）
STATCOM上世纪80 年代由日本和美国首先研制 出来，之后世界各国都相当重视、竞相研制， 并完成了10多项的示范工程或实际工业工程；
最近五年，随着STATCOM 研制技术的深入、新 型大功率电子电子器件如IGCT等的出现， STATCOM在输电系统应用数量明显增加；
UPFC于1998年在AEP的Inez变电站投运；
电能质量中危害最大的问题 —电压暂降与短时中断
电压暂降与短时中断治理的市场前景
一次电压暂降或短时中断可能造成数万至数百 万美元的经济损失；
美国每年因这类电能质量问题造成的经济损失 在150亿至240亿美元之间；
中国抚顺炼油厂每年因这类电能质量问题造成 的经济损失在3000至5000万人民币元之间；
工程，双极的容量为3150MW。
柔性电力技术应用状况
直流输电技术（国际2）
• 轻型直流输电工业性试验工程（长10km、电压为 ±10kV、输送容量为3MW）于1997年在瑞典投入 运行；
• 2003年9月投运的美国康涅狄格到长岛的CROSS SOUND CABLE工程，额定容量为330MW，输送距离 40km；
工程进入世界先进行列； • 1997年建设天广直流，又重新引进了部分技术,直流输电技术
得以衔接； • 1998年开始建设三峡送出直流工程； • 我国已成为世界上拥有直流输电系统最多的国家，目前已经
投运和正在建设的直流工程有8项； • 三常、三广、三右、贵广工程双极容量均为3000MW，容量位
居世界第二位。
VSC
串接变压器
Ul
负载 VSC
（c）
混合式动态电压调节器的结构
I1 V1
TP
Ip
LP filter Converter
Vc
I2
V2
TS
protection
LP filter
Inverter
Control unit
Reference voltage
双回供电集成电源（IPS）
对双路电源经择优选取，变换后提供给负载， 两路电源间切换时间为零，真正的无暂降、无 相位跳变方式；
电压扰动最小; ❖ 提高用电设备对电能质量问题的抵御能力; ❖ 在供电网络与用户设备间加装补偿设备；
电压暂降与短时中断防范的补偿设备
• 不间断电源 （Uninterruptable Power Supply - UPS）
• 动态电压调节器 (Dynamic Voltage Regulator - DVR)
Id
sE20
U2T
Ud
Ui
I2
LF
s UT 2 cos2 E20 cos 1
•UR逆变触发提前角增大，s增大，转速增大；
•UI整流触发延迟角减小，s增大，转速增大；
•多采用UR逆变触发提前角控制法
可变速机组功率的调节
指令
P 32MW
有功功率 128MW
160MW
转速 335.0r / min 338.0r / min
900 1800
TCSC的运行模式
晶闸管旁通模式：
– 晶闸管全导通，用于某些控制与保护
晶闸管闭锁模式：
– 晶闸管触发脉冲被封锁，固定串补
晶闸管可控模式
– 基本运行方式
电压暂降的防范
电能质量问题的内容
– 供电中断 – 电压偏差 – 频率偏差 – 三相不平衡 – 谐波 – 电压波动与闪变 – 电压暂降与短时中断
– 快速、连续地控制输电线路的补偿度； – 最优潮流控制与功率换流的防止； – 抑制次同步振荡； – 串联电容器的保护； – 短路电流的限制
TCSC的结构
CB
G
Ld MOV
+C_
UHSC VT1
Ls
VT2
可控电抗实现的基本原理
可控电抗器支路电压电流波形绘制
L X L 2 2 1 sin 2
周波变换器方式
主变压器
电抗器
励磁断路器
相序反转断路器 起动断路器
发电机
机械断路开关
过电压保护装置 励磁变压器
过电压保护装置 励磁变压器
过电压保护装置 励磁变压器
中性点接 地装置
主变压器
相切换断路器 并列断路器 起动断路器
发电机 过电压保护装置 中性点接 地装置
AC－DC－AC 方式
限流电抗器
逆变器1
•同步运行状态：n＝n1，滑差频率为f2
＝0，转子为直流励磁，与普通同步发 电机相同，转子绕组无功率交换。
电动运行方式
－串级调速
转子绕组串接附加电势的调速原理
3~
3~
3I2Ea
P2 M
3~
MW
附加电动势装置
E2=sE20
Ea
I2
E2 sE20
I2
sE20 r22 ( sx20 )2
I2
sE20 Ea r22 ( sx20 )2
• 轻型直流输电系统世界上已经在瑞典、澳大利亚 、丹麦、美国等国家正式投入运行或在建。
柔性电力技术应用状况
直流输电技术（国内）
• 1978年在上海投运了第一条31kV、150A、长度9km的直流输电 试验线路；
• 1987年完成宁波至舟山的直流试验工程； • 1990年，葛上500kV直流工程投运，标志着我国高压直流输电
330.8r / min
344.0r / min 330.5r / min
励磁电流 3,500A
3, 750A
3, 500 A
大河内可变速抽水蓄能电站
可控串补（TCSC）及其应用
串联补偿
串联补偿与并联补偿：
– 串联补偿的补偿能力自动调节功能； – 同样补偿能力时的成本
可控串联补偿与固定串联补偿：
• 双路供电集成电源（Integrated Power Supply)
DVR基本拓扑结构图
U sag
Ul
供电变压器
变电站 负载
U sag
系统
VSC 能量存储 （a）
串接变 压器
VSC 能量存储
并联电压 控制器
并接 变压器
（b）
图 7-51 DVR 装置的基本拓扑结构图
（a）串联式 DVR；（b）并联式 DVR；（c）串并联式 DVR
– 大电流/高耐压/低损耗/高可靠性/高频化
与储能技术发展相关的内容
– 高效率/环保/廉价
与信息技术发展相关的内容
– 高可靠性/智能化/网络化
柔性电力技术的应用
柔性电力技术应用状况
直流输电技术（国际1）
• 1954年瑞典哥特兰岛建立第一个HVDC系统； • 1984年巴西建立了电压等级最高的±600kV HVDC
系统； • 1998年阿根廷与巴西利用直流实现两国电网的互
联； • 1954年至今全世界共有90余个已建、在建、或已
退役的直流输电工程，总容量约为82163MW； • 目前世界上双极容量最大的是伊泰普（ITAIPU）
美国EPRI的预测电能质量问题的解决对应的市 场额度在1000亿美元左右；
中国电能质量问题相应的市场潜力巨大。
电压暂降与短时中断
瞬时值录波图
有效值计算图
Vrms(volt)
电压有效值变化曲线
200
150
100
50
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
t(s)
电压暂降与短时中断的防范
❖ 减少故障数目、减少故障切除时间； ❖ 改变系统设计、使得当短路故障发生时用户设备处的
SSSC于2002年在NYPA的Marcy变电站投入来自百度文库行。
柔性电力技术应用状况
FACTS（国内）
从80年代起，相继从国外引进了6套SVC装置 ； 2000年11月，我国第一套500kV串补在徐州三
堡变电所东三双回线投入运行； 可控串补国产化工程：甘肃电网220kV碧成线 ； 上海电网黄渡分区±50Mvar STATCOM示范工程
柔性电力技术应用状况
FACTS（国际1）
SVC装置最大补偿容量已达1000MVar以上，应 用的最高系统电压为765kV；
已有7个可控串补工程投入运行，其中3个在美 国，1个在瑞典，2个在巴西；
计划采用可控串补的国家还有印度和澳大利亚 等。目前串补技术应用的最高系统电压为 765kV。
柔性电力技术应用状况
柔性电力技术应用状况
Custom Power
工业发达国家基于IGBT的DVR装置、DSTATCOM 装置、APF装置已经有系列的工业产品 ；
“优质电力园区”(Premium Power Park PPP) 国家电网公司正式启动了DVR、SSTS和FESS三
种定制电力技术的工业示范项目，以满足不同 电力用户对电能质量的特殊要求。
3~
M
3~
MW
UR
sE20 I2
Id
Ud
Ui
LF
T1 UI
U2T
U d Ui Id R
K1sE20 K2U2T cos Id R
•逆变触发角增大，Ui减小，Id增大，转速增大； •逆变触发角减小，Ui增大，Id减小，转速减小； •仅能次同步调速运行
超同步串级调速原理
3~
M
3~
MW
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T1 UI