大功率電力電子系統(tǒng)的控制理論課件

大功率電力電子系統(tǒng)的

控制及應(yīng)用查曉明教授提綱已有的大功率電力電子技術(shù)基礎(chǔ)遇到的問題電力系統(tǒng)的應(yīng)用問題電力電子系統(tǒng)的控制問題一、已有的基礎(chǔ)電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究大功率電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究基于功率單元級聯(lián)的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其在STATCOM和高壓變頻器中的應(yīng)用混合式有源電力濾波器的研究多逆變器并聯(lián)的有源電力濾波器技術(shù)基于-坐標(biāo)變換的有源電力濾波器和STATCOM技術(shù)（獲國家發(fā)明專利）四象限運(yùn)行的PWM變流器程控的交流調(diào)壓電源逆變器電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究先進(jìn)的電力電子設(shè)計與試驗(yàn)技術(shù)基于能量變換的電力電子設(shè)計理論和方法高頻大電流的電抗器設(shè)計與制作PSCAD/EMTDC仿真和MATLAB仿真低能耗的逆變器試驗(yàn)平臺通用電力電子試驗(yàn)平臺及試驗(yàn)方法先進(jìn)的電能質(zhì)量試驗(yàn)電源技術(shù)多端柔性直流輸電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺風(fēng)電測試平臺二、遇到的問題大功率電力電子技術(shù)的設(shè)計問題電力電子系統(tǒng)的設(shè)計計算理論在哪里？傳統(tǒng)的按穩(wěn)態(tài)條件計算的一些元件參數(shù)是否最優(yōu)，電力電子裝置本身是否存在成本浪費(fèi)問題？電力電子系統(tǒng)設(shè)計是否要考慮故障條件下的穿越能力，如果評估暫態(tài)過程中電力電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合適？大功率電力電子技術(shù)的試驗(yàn)問題電力電子系統(tǒng)的試驗(yàn)理論和方法三、電力系統(tǒng)的應(yīng)用問題三機(jī)勵磁系統(tǒng)手動控制過程自動控制過程1、勵磁反饋控制原理

2.勵磁控制與電力系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)電機(jī)線性化狀態(tài)方程發(fā)電機(jī)的輸出功率可寫成：

勵磁控制與靜態(tài)穩(wěn)定

勵磁控制與暫態(tài)穩(wěn)定定義：在電力系統(tǒng)遭受大擾動時，如輸電設(shè)備上的故障、發(fā)電機(jī)跳閘或失掉大的負(fù)荷等，電力系統(tǒng)保持同步的能力。特點(diǎn)：在系統(tǒng)遭受大擾動時，由于系統(tǒng)的電壓、電流、有功、無功、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角等的擺動幅度較大，因此不能用線性化方法來研究它。概念：面積定則

勵磁控制與暫態(tài)穩(wěn)定在電力系統(tǒng)中，應(yīng)用發(fā)電機(jī)勵磁改善電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有兩條途徑：增加發(fā)電機(jī)的強(qiáng)勵能力，可以減少發(fā)電機(jī)的加速面積A1；設(shè)計先進(jìn)的勵磁控制策略，維持較高的故障后發(fā)電機(jī)端電壓水平，增加發(fā)電機(jī)的減速面積A2；（二）、FACTS技術(shù)FACTS-FlexibleACTransmissionSystems淮南-上海特高壓線路（單回）接線簡圖

減少高抗280Mvar后，安裝±600MvarSTATCOM，可將單回線路傳輸容量提高至3800MW，60萬STATCOM(約投資2-3億)提高100萬傳輸容量(效益相當(dāng)30億)，補(bǔ)償方案傳輸容量（MW）1000kV變電站母線電壓（pu）淮南站皖南站浙北站滬西站無補(bǔ)償（空載運(yùn)行受限）01.061.131.121.0728001.031.071.071.0338001.011.021.021.00高壓電抗器：淮南600Mvar皖南960Mvar浙北720Mvar01.011.021.021.0228000.990.950.950.9735000.960.900.910.9438000.950.860.870.91減280Mvar高抗裝600MSVG01.011.001.001.0138000.970.950.950.96656KM,估計需投資105億25串聯(lián)電容補(bǔ)補(bǔ)償

——提高輸電容量最經(jīng)濟(jì)有效的手段提高輸電容量效益顯著山西陽城到江蘇串補(bǔ)工程：少建1回270公里500kV線路，輸電極限提高10％，節(jié)約投資約3.4億元；豐萬線串補(bǔ)工程：少建1回500kV線路（6億元），采用固定串補(bǔ)（2.53億）,提高送電能力60萬千瓦；

投資成本相對低廉，效益顯著增加線路：100-300萬/公里，陽城~4.0億

固定串補(bǔ)：60元/kvar,陽城800萬$≈0.64億￥；國產(chǎn)化后成本更低。

26串補(bǔ)引起的次同步諧振（SSR）問題串補(bǔ)高壓缸中壓缸低壓缸發(fā)電機(jī)勵磁機(jī)系統(tǒng)SystemF(f0-fc)線路LCft系統(tǒng)systemTurbinegenerator29#31螺栓孔處裂紋(裂紋長180mm)國內(nèi)某電廠600MW機(jī)組30國內(nèi)現(xiàn)有的不同SSR解決案例

電廠方案研發(fā)單位投運(yùn)

運(yùn)行損耗投資上都SEDC+TSR清華+四方已投運(yùn)小于0.1kw<0.1kw20OO萬/4機(jī)錦界SVC+TSR鞍山榮信已投運(yùn)約600kw，占機(jī)組功率0.1%年損失電費(fèi)260萬1.5億/4機(jī)伊敏可控串補(bǔ)+TSR中國電科院已投運(yùn)未統(tǒng)計3.0億/4機(jī)托克托阻塞濾波器+TSR美國GE尚未約650kw，機(jī)組功率的0.1%4.0億/8機(jī)（三）、電力電子系統(tǒng)的作用

時間尺度上的能控性：（響應(yīng)時間的要求）電壓閃變改善與無功補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)特性大功率電力電子系統(tǒng)應(yīng)用的作用機(jī)理分析1、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中的能量轉(zhuǎn)移問題（阻尼的實(shí)現(xiàn)）2、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中的實(shí)現(xiàn)方式（幾何方法的實(shí)現(xiàn)（微分）還是系統(tǒng)演化方法（代數(shù)））四、大功率電力電子的可靠性控制方法研究功率和能量問題功率變換與能量轉(zhuǎn)移過程分析，尤其是動態(tài)過程中大功率電力電子功率變換狀態(tài)及能量轉(zhuǎn)移過程?？煽啃院头€(wěn)態(tài)性能電力電子功率變換過程控制應(yīng)著眼于可靠性控制電力電子裝置應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能控制復(fù)雜電力電子系統(tǒng)的控制理論針對復(fù)雜電力電子系統(tǒng)控制問題，簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力電子系統(tǒng)的控制問題模型建立及控制理論基礎(chǔ)問題靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）：典型電力電子系統(tǒng)的研制STATCOM的基本原理：將電壓源型逆變器經(jīng)過電抗器或者變壓器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流的幅值和相位，迅速吸收或者發(fā)出所需要的無功功率，實(shí)現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)無功的目的。

靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）：典型電力電子系統(tǒng)的研制靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）：無變壓器，直接與高壓連接無啟動回路占地小絕緣要求高需要冗余單元調(diào)整算法程序，可以實(shí)現(xiàn)諧波、無功統(tǒng)一補(bǔ)償?shù)湫碗娏﹄娮酉到y(tǒng)的研制靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）：鏈?zhǔn)絊TATCOM的某鋼廠現(xiàn)場應(yīng)用典型電力電子系統(tǒng)的研制有源電力濾波器（APF）：=+電

源非線性負(fù)載I.電源I.負(fù)載I濾波器I.電源I.負(fù)載If.(負(fù)載基波)Ih.(負(fù)載諧波)I.濾波器典型電力電子系統(tǒng)的研制有源電力濾波器（APF）-濾波效果：典型電力電子系統(tǒng)的研制能源管理中的電力電子技術(shù)：

基于電力電子的節(jié)能技術(shù)-高壓變頻調(diào)速器典型電力電子系統(tǒng)的研制能源管理中的電力電子技術(shù)：

基于電力電子的供電變壓技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn):1、功率單元級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高電壓或者降壓功能；2、部分單元具有能量回饋通道，滿足部分負(fù)荷無功功率需求；3、適合殘余能量回收發(fā)電的接入。典型電力電子系統(tǒng)的研制基于輕型直流輸電連接的風(fēng)、光、儲一體化系統(tǒng)：

2009年為浙江大學(xué)制造國內(nèi)首個雙端口輕型直流輸電技術(shù)通用實(shí)驗(yàn)平臺

2010年為武漢大學(xué)制造國內(nèi)首個三端口輕型直流輸電技術(shù)通用實(shí)驗(yàn)平臺典型電力電子系統(tǒng)的研制基于輕型直流輸電連接的新能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)：典型電力電子系統(tǒng)的研制面向電力系統(tǒng)，控制策略不僅要定位在電力電子功率變換器的控制上，而且還要定位在電力系統(tǒng)補(bǔ)償上，其中：電力電子變換器控制過程是著眼于開關(guān)周期內(nèi)的功率轉(zhuǎn)換控制，主要體現(xiàn)在開關(guān)切換與電感電流控制緊密關(guān)聯(lián)；（安全性和魯棒性指標(biāo)）

電力系統(tǒng)補(bǔ)償器系統(tǒng)往往只關(guān)心定義在頻域上的電能質(zhì)量指標(biāo)，不關(guān)心PWM逆變器的開關(guān)周期內(nèi)功率變換過程。（性能指標(biāo)）系統(tǒng)特點(diǎn)及其控制問題分析

電力系統(tǒng)補(bǔ)償器系統(tǒng)的控制策略基于功率變換控制的電力電子系統(tǒng)控制策略

電力系統(tǒng)補(bǔ)償器系統(tǒng)的數(shù)字控制策略基于功率變換控制的電力電子系統(tǒng)控制策略

PWM逆變器內(nèi)的功率變換控制設(shè)逆變器的開關(guān)頻率為，在每個開關(guān)周期中會有兩種開關(guān)狀態(tài)，即T1/T4導(dǎo)通和T2/T3導(dǎo)通。T1、T4的導(dǎo)通時間為T1、T4的導(dǎo)通時間為基于功率變換控制的電力電子系統(tǒng)控制策略

PWM逆變器內(nèi)的功率變換控制在時間內(nèi)，PWM逆變器功率變換控制穩(wěn)態(tài)工作時，認(rèn)為相鄰的開關(guān)周期內(nèi)和,和相同。因此可得交流側(cè)電壓和直流側(cè)電壓的關(guān)系式為:在時間內(nèi)

基于功率變換控制的電力電子系統(tǒng)控制策略

PWM逆變器內(nèi)的功率變換控制鋸齒波在一個開關(guān)周期內(nèi)可表示為當(dāng)時，有

令鋸齒波幅值，則有兩個結(jié)論：通過電流峰值點(diǎn)的采樣可得到等效電壓源的全部信息;功率潮流是由交流側(cè)向直流側(cè)方向流動?；诠β首儞Q控制的電力電子系統(tǒng)控制策略

電力補(bǔ)償器的系統(tǒng)電路等效有源電力濾波器系統(tǒng)的電路等效基于功率變換控制的電力電子系統(tǒng)控制策略

電力補(bǔ)償器系統(tǒng)的電路等效并聯(lián)結(jié)構(gòu)APF系統(tǒng)的電路等效基于功率變換控制的電力電子系統(tǒng)控制策略

電力補(bǔ)償器系統(tǒng)的電路等效鏈?zhǔn)絊TATCOM系統(tǒng)的電路等效基于功率變換控制的電力電子系統(tǒng)控制策略

基于功率變換控制的電力補(bǔ)償器系統(tǒng)控制策略重復(fù)學(xué)習(xí)Boost變換控制策略的提出基于功率變換控制的電力電子系統(tǒng)控制策略

基于功率變換控制的電力補(bǔ)償器系統(tǒng)控制策略重復(fù)學(xué)習(xí)Boost變換控制策略的DSP+FPGA實(shí)現(xiàn)基于功率變換控制的電力電子系統(tǒng)控制策略

基于功率變換控制的電力補(bǔ)償器系統(tǒng)的能量分析--有利于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計，尤其是直流側(cè)電容器參數(shù)的選擇；--依據(jù)的理論基礎(chǔ)：系統(tǒng)的無源性理論。有源電力濾波器的頻域能量變換模型；鏈?zhǔn)絊TATCOM直流側(cè)電壓的均衡控制——構(gòu)造下垂特性。目前主要取得的理論研究成果：基于功率變換控制的電力電子系統(tǒng)控制策略

基于功率變換控制的電力補(bǔ)償器系統(tǒng)的能量分析

有源電力濾波器的頻域能量變換模型APF的頻域能