电力电子控制新技术在1.5电力系统中的应用

电力电子技术和装置在电力系统中的作用是用以控制，包括电力电子开关控制和电力参数连续调节控制。基于电压源换流器的电力电子装置主要用于电力参数的连续调节与控制。从早期的基于晶闸管阀的高压直流（HVDC）输电技术和静止无功补偿（SVC）技术，到基于以IGBT为代表的可关断器件的柔性直流输电技术、静止同步补偿技术、电能质量控制技术和分布式电源技术，都是以电力电子技术为支撑的。电力电子技术应用于电力系统的主要目的有：

1）电力储能、新能源发电，促进社会可持续发展；

2）提高电网的输电能力，降低输电成本，节约资源；

3）动态补偿无功功率，节能降耗；

4）提高电网的电能质量，满足不同负载对电力品质的要求；

5）实现电网参数的快速、灵活、准确控制，优化潮流，提高系统安全稳定性。

基于电压源换流器（VSC）的电力系统控制装置的通用原理结构如图1-7所示。主电路由电网、串联电抗器L、VSC、直流电容器C和直流单元组成。串联电抗器起缓冲滤波作用，直流电容器起直流电压支撑和滤波作用，VSC起交直流双向变换作用，直流单元在不同的应用装置中是不同的，或为他励电源，或为直流负载，也可能不存在。控制系统由电压与电流传感器、检测变换单元、目标设定单元、控制单元、PWM控制单元和PWM驱动单元等组成。检测变换单元对电网电压、电网电流、VSC交流电流和直流电压等进行检测和处理，得到控制所需的目标反馈信号；控制单元根据目标设定值和反馈值进行调节计算，得到VSC的输出电压或电流参考信号；PWM控制单元则根据VSC电压、电流参考信号按照某种PWM控制策略产生VSC的开关驱动信号；PWM驱动单元对PWM信号进行隔离和变换，产生直接驱动IGBT门极的信号。

图1-7 基于VSC的电力系统控制装置原理结构

本书第2章介绍了电压源换流器的电路拓扑、工作原理、数学模型，对电压源换流器的各种PWM控制方法做了详细论述。关于电压源换流器的应用和各章内容简要分述如下。

（1）静止同步补偿技术

最早的静止无功补偿装置当数20世纪70年代开发出来的静止无功补偿器（SVC）。在输电系统中，SVC用来稳定系统电压、提高系统稳定性和线路输电能力；在工业配电系统中，SVC常用来动态补偿负载无功功率、抑制电网电压波动和闪变。随着新型电力电子器件——绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和PWM控制技术的出现，诞生了基于IGBT和PWM控制技术的静止同步补偿器（STATCOM），又称为静止无功发生器（SVG）。SVG与SVC相比，具有响应速度更快、谐波小、不受电源电压影响、功率可四象限控制等特点，应用广泛。

由于电压源换流器的功率四象限控制的能力，基于电压源换流器的电力电子装置均可实现静止无功补偿的功能。譬如，在VSC-HVDC中，送端和受端换流器均可工作于STATCOM方式；在有源滤波器和采用并网换流器的分布式电源中，也都可以兼备无功补偿功能。

本书第3章详细分析了SVG的结构、原理和控制策略，重点讨论了SVG的各种数学模型和控制系统设计，给出了交流串联电抗器和直流电容器的选择与计算方法。

（2）柔性高压直流输电技术(www.xing528.com)

高压直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电均具有优势。1970年世界上首个晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成，标志着电力电子技术正式用于高压直流输电^［10］。目前全世界投运的直流输电工程中，单项工程的输电容量已达3000MW以上，直流电压已达±800kV，输电距离已达1000km以上。高压直流输电在完成电力输送的同时，可以改善交流电网的稳定性，提高输电效益。传统直流输电技术已趋成熟，产生谐波和需要额外的无功补偿容量是其主要缺点。

柔性高压直流（VSC-HVDC）输电系统是最新发展起来的一种新型直流输电技术，它是采用IGBT、IGCT（集成门极换向晶闸管）等全控型器件组成的电压源换流器，可以实现有功功率和无功功率的双重独立控制，必要时还可附加电能质量控制功能，具有性能高、设备简化、占地面积小和造价低等优点，在中、小容量和较短距离的输电工程中具有竞争力。与传统直流输电技术相比，柔性直流输电没有换相失败之虞，对受电端系统的容量没有要求，可向无交流电源的负载点（如海上石油平台）送电，也可用于接入风力发电、光伏发电等分布式电源。

本书第4章详细介绍了VSC-HVDC输电系统的组成结构和四象限工作原理，讨论了VSC-HVDC系统的幅相控制策略和矢量控制策略，给出了VSC-HVDC输电系统在不同控制策略下的仿真结果，最后分析了IGBT串联均压技术和故障诊断技术。

（3）电能质量控制技术

电能质量控制技术是近十余年发展起来的一项旨在满足特定电力用户对电能质量和供电可靠性要求的电力控制新技术。基于电压源换流器的电能质量控制设备与VSC-HVDC、SVG等在原理结构和控制方法上基本相同，但它们的应用场合和控制目标不同。

针对电能质量问题，电力电子技术的研究走着两条不同的道路，其一是努力降低电力电子装置自身对电网的干扰；其二是利用电力电子装置来改善电网中的电能质量。目前，多种电力电子装置已经或即将成为解决电网电能质量问题的生力军，表1-1列出了几种已经得到应用的基于电压源换流器的电能质量控制设备及其功能。

表1-1 VSC型电能质量控制设备及其功能

电压源换流器与电网在电能质量方面应具有兼容性，即VSC应能在标准允许的PCC电网电能质量指标下可靠运行，同时VSC作为一种并网装置，其对电网电能质量的影响应符合相关标准的要求。

本书第5章全面介绍了三相系统和单相系统的谐波电流分量的检测方法，论述了并联型有源电力滤波器的原理结构和控制方法，最后介绍了一种作者近几年研究的有源调谐型混合滤波器技术。

（4）分布式电源技术

电力电子技术在发电系统中的应用可以追溯到20世纪60年代，利用晶闸管构成的可控整流器替代直流发电机对同步发电机进行快速有效的励磁控制，从根本上改善了同步发电机的动静态性能和系统稳定性。

开发利用无穷尽的洁净新能源是调整未来能源结构的一项重要战略措施。太阳能光伏发电、燃料电池、超导和超级电容储能电源等都是输出直流电，无论是独立系统还是并网系统，通常都需要将直流电转换为交流电，所以具有最大功率跟踪等控制功能的逆变器成为这些电源的核心。风力发电虽然可以通过旋转式发电机直接并网，但是为了提高风电转换与利用效率，也常采用电压源换流器实现风电的并网与控制。

本书第6章对分布式电源，尤其是光伏发电并网技术进行了分析，并介绍了分布式电源的孤岛检测和并网型电压源换流器的锁相同步技术。